Optische Partikelcharakterisierung

Partikel, seien es Feststoffteilchen, Tropfen oder Blasen, treten sowohl in industriellen Prozessen als auch in der natürlichen Umgebung häufig auf. Die Palette reicht dabei von Tropfen in Sprays bei der Kraftstoff oder Lackzerstäubung über Suspensionstropfen bei der Sprühtrocknung von Nahrungsmitteln, Russpartikeln von Autos und in Kraftwerksabgasen, Feststoffpartikeln für Waschmittel und in Stäuben bis hin zu Kavitationsblasen oder Blasen in chemischen Reaktoren.

Die Notwendigkeit der Charakterisierung von Partikeln wird klar, wenn man sich die breite Palette der Partikelarten und deren Anwendung anschaut. Aus diesem Grunde existieren eine Reihe von Messverfahren für die Partikelcharakterisierung. Optische Messtechniken, mit deren Entwicklung und Anwendung sich das Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock beschäftigt, spielen dabei immer dann eine Rolle, wenn ein Prozess in-situ und berührungslos untersucht oder überwacht werden soll. Speziell auf dem Gebiet der Spraydiagnostik ist dies fast immer notwendig. Weiterhin ist es in vielen Anwendungen erforderlich, die Geschwindigkeit der Partikel zu bestimmen. Eine direkte Zuordnung der Geschwindigkeit zu den einzelnen Partikeln ist immer dann unumgänglich, wenn Konzentrationen oder Stromdichten, z.B. Anzahl-, Volumen- oder Massenkonzentration der dispersen Phase ermittelt werden sollen. Diese Verfahren, die jedem einzelnen Partikel Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Durchmesser zuordnen, nennt man daher Zählverfahren und sind Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt des Instituts.

Optische in-situ Partikelmesstechniken

Die Phasen-Doppler (PD) Messtechnik wird zur Charakterisierung von Zweiphasenströmungen, z.B. Sprays, eingesetzt. Sie ist in der Lage berührungslos die Größe (1 µm - 500 µm) und Geschwindigkeit (bis zu 200 m/s) von homogenen sphärischen Partikel, z.B. Tropfen, Blasen etc., zu bestimmen. Aus den Größen- und Geschwindigkeitsverteilungen lassen sich anschließend auch Anzahl - und Volumen-Konzentrationen sowie Flüsse ableiten.

Aufgrund der Komplexität und des Justageaufwandes wird die PD-Technik bisher fast ausschließlich in der Forschung angewendet. Ziel des Projektes ist es unter anderem, die PD-Technik zu einer verlässlichen Prozessmesstechnik weiterzuentwickeln. Darüber hinaus werden Erweiterungen der Phasen-Doppler Technik zur Charakterisierung von Feststoffpartikeln bzw. zur Unterscheidung von Partikelklassen untersucht.

Die kommerziell verfügbare PD-Technik ist beschränkt auf die Größencharakterisierung von homogenen sphärischen Partikeln und erfordert getrennte Send- und Empfangsoptiken in Vor- oder Seitwärtsstreuung. Um den Justage und Geräteaufwand zu reduzieren, ist eine Charakterisierung in Rückstreuung attraktiv, welches mit der Zeitverschiebungsverfahren (time-shift technique) realisiert werden kann. Weiterhin zeigt die Zeitverschiebungstechnik Perspektiven zur optischen Charakterisierung von inhomogenen und nichtsphärischen Partikeln auf.

Laser-/Phasen-Doppler-Messtechnik

Die Laser-Doppler-Messtechnik ist ein auch kommerziell etabliertes Verfahren für die Geschwindigkeitsmessung von kleinen Partikeln oder Oberflächen. Kreuzt man zwei Laserstrahlen so bildet sich im Überschneidungsbereich ein Interferenzmuster mit äquidistanten Interferenzstreifen. Bewegt sich ein Partikel oder optische Inhomogenität durch diesen Kreuzungsbereich, streut es die lokale Intensität und die Frequenz des detektierten Signals ist proportional zur Geschwindigkeit des Partikels.

Weiterhin enthält die Phase des Signals Informationen über den Streuprozess am Partikel und ist, unter der Annahme von homogenen sphärischen Partikeln, direkt proportional dem Partikeldurchmesser. Bei Nutzung von zwei oder mehreren räumlich separierten Empfängern können so, zusätzlich zu den Geschwindigkeiten, die Durchmesser der einzelnen Partikel mit einer Genauigkeit von ca. 1 µm bestimmt werden. Mit dieser so genannten Phasen-Doppler- Messtechnik, welche aus der Spraydiagnostik mittlerweile nicht wegzudenken ist, wird es möglich, pro Sekunde hunderttausende von homogenen sphärischen Partikeln hinsichtlich Geschwindigkeit und Größe online zu charakterisieren.

Die Annahme von homogenen sphärischen Partikeln beschränkt die Anwendung der Phasen-Doppler-Technik jedoch auf spezielle Messaufgaben, wie z.B. Sprays. Gerade viele Feststoffpartikel oder biologische Kleinstpartikel wie Sporen und Plankton haben aber raue Oberflächen oder sind stark nichtsphärisch. Weiterhin sind Suspensionstropfen, wie z.B. in Milch- oder Kaffeesprays bei der Sprühtrocknung, nicht homogen. Da für diese Problemstellung kein berührungsloses Zählverfahren existiert, können Prozesse mit solchen Partikeln bisher kaum charakterisiert werden. Eine Ausnahme bildet die direkte Abbildung mit Kameras, die jedoch mindestens zwei optische Zugänge für Beleuchtung und Beobachtung benötigt und aufgrund der limitierten Bildwiederholrate und der meist umfangreichen Bildverarbeitung nur off-line oder für langsame Vorgänge mit wenigen Partikeln eingesetzt werden kann.

Die Entwicklung von optischen Messtechniken zur Partikelcharakterisierung erfordert zunächst ein grundlegendes Verständnis der Lichtstreuung an kleinen Partikeln, welches u.a. Forschungsgegenstand des Instituts für Allgemeine Elektrotechnik ist. Bereits die Lichtstreuung an sphärischen homogenen Partikeln, die Lorenz-Mie Theorie, führt zu komplexen Streulichteigenschaften (Bild unten), speziell bei der Verwendung von inhomogenen Laserstrahlprofilen oder Pulsstreuung von z.B. Femtosekundenlasern. Bei der Streuung an nichtsphärische und inhomogene Partikel ist bereits die Beschreibung der Partikel auf statistische Modelle angewiesen und eine Berechnung nur in seltenen Fällen möglich.

Zeitverschiebungsverfahren

Das am Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock entwickelte Zeitverschiebungsverfahren ermöglicht es gerade die Einschränkungen der Phasen-Doppler Technik zu umgehen. Das Verfahren basiert auf der Streuung eines inhomogenen Lichtstrahls, z. B. eines Laserstrahls, an kleinen Partikeln. Da für eine Beleuchtungsrichtung und eine Empfängerposition nur ausgewählte Strahlen zum detektierten Signal beitragen, tasten die so genannten Einfallspunkte dieser ausgewählten Strahlen die räumliche Intensitätsverteilung
ab (Bild oben). Bei Bewegung des Partikels durch den einfallenden Laserstrahl generiert jeder Strahlengang ein eigenes zeitverschobenes Signal. Bei gleichzeitiger Messung der Partikelgeschwindigkeit kann so der örtliche Versatz der Einfallspunkte ermittelt und auf die Partikeleigenschaften geschlossen werden. Vorteil diese Zeitverschiebungsverfahrens gegenüber der Phasen- Doppler-Technik ist, dass es auch nichtsphärische Partikel niemals überschätzt und mit Hilfe von Erweiterungen auch Suspensionstropfengrößen bestimmen kann.

Abb.: Zeitverschiebungstechnik zur optischen in-situ Partikelcharakterisierung
in einer Eispartikel-Wassertropfen-Luftströmung