用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備和方法
【專利說明】用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備和方法。此外本發(fā)明還提供一種用于確定流體中的顆粒的數(shù)量的方法以及制造按照本發(fā)明的設(shè)備的制造方法。
[0002]顆粒的探測及其尺寸確定在很多技術(shù)工作中處于核心地位。例如流體中的顆粒在過濾器前后可以被探測并確定其大小，以便確定過濾器的效果。
[0003]在以激光為基礎(chǔ)的顆粒探測中，激光射入流體中、例如液體但通常是氣體或氣體混合物如空氣，該流體可以具有待探測的顆粒。激光可以在顆粒上被散射并且以一定的角度被接收。由此所產(chǎn)生的信號可以被測量并且由此例如推斷出顆粒尺寸。
[0004]待探測的顆粒尺寸可以通過信噪比(SNR)限定。在較大的結(jié)構(gòu)中可以實現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，用于優(yōu)化信噪比。在有利地盡可能小型化的應(yīng)用中，采用備選的措施。例如可以使用鏡子或較大面積的透鏡，用于接收更大數(shù)量的被散射的激光。
[0005]在文獻US5 085 500A中描述了一種以激光為基礎(chǔ)的顆粒計數(shù)器，其接收被顆粒散射的光線，這些顆粒在流體中穿越一個測量段。為了接收光線，布置多個光電探測器，使得只有被散射的激光束可以射入這些光電探測器。為了產(chǎn)生具有適合特征的激光束，由光源產(chǎn)生的激光束穿過多個膜片。
[0006]本發(fā)明提供一種具有權(quán)利要求1的特征的設(shè)備、具有權(quán)利要求11的特征的方法、具有權(quán)利要求13的特征的方法以及具有權(quán)利要求14的特征的制造方法和具有權(quán)利要求15的特征的制造方法。
[0007]據(jù)此規(guī)定，一種用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備，其具有:透鏡光學(xué)系統(tǒng)，所述透鏡光學(xué)系統(tǒng)具有:激光吸收裝置，所述激光吸收裝置吸收從激光光源射出的激光束，所述激光束基本上無散射地穿透流體，
[0008]其中，所述激光吸收裝置被第一透鏡和第二透鏡和第三透鏡圍繞，
[0009]其中，所述第一透鏡將從所述激光光源射出的、在流體中的顆粒上散射的激光束至少部分地轉(zhuǎn)向到第二透鏡和/或第三透鏡上，
[0010]其中，所述第二透鏡將來自所述第一透鏡的射入所述第二透鏡的激光束基本上轉(zhuǎn)向到第一光電探測器上，所述第一光電探測器根據(jù)轉(zhuǎn)向到第一光電探測器上的激光束產(chǎn)生第一測量信號，
[0011]其中，所述第三透鏡將來自所述第一透鏡的射入所述第三透鏡的激光束基本上轉(zhuǎn)向到第二光電探測器上，所述第二光電探測器根據(jù)轉(zhuǎn)向到第二光電探測器上的激光束產(chǎn)生第二測量信號；
[0012]并且所述設(shè)備還具有分析裝置，所述分析裝置分析兩個光電探測器的測量信號，用于確定顆粒的尺寸。
[0013]此外還規(guī)定，一種用于確定流體中的顆粒的尺寸的方法，所述方法具有如下步驟:
[0014]激光束射入流體中；在流體中的顆粒上散射的激光束借助第一透鏡至少部分被偏轉(zhuǎn)到第二透鏡和/或第三透鏡；
[0015]來自所述第一透鏡的射入所述第二透鏡的激光束借助所述第二透鏡被轉(zhuǎn)向到第一光電探測器上；
[0016]來自所述第一透鏡的射入所述第三透鏡的激光束借助所述第三透鏡被轉(zhuǎn)向到第二光電探測器上；
[0017]借助所述第一光電探測器根據(jù)被轉(zhuǎn)向到第一光電探測器上的激光束而產(chǎn)生第一測量信號；
[0018]借助所述第二光電探測器根據(jù)被轉(zhuǎn)向到第二光電探測器上的激光束而產(chǎn)生第二測量信號；
[0019]分析兩個光電探測器的測量信號，用于確定顆粒的尺寸。
[0020]此外還規(guī)定，一種用于確定流體中的顆粒的數(shù)量的方法，其中，在一個時間段內(nèi)持續(xù)地實施按照本發(fā)明的用于確定流體中的顆粒的尺寸的方法;其中，在每次確定顆粒中的一個的尺寸時，如果相應(yīng)所確定的該顆粒的尺寸超過了預(yù)設(shè)的最低值，則計數(shù)器加一;并且其中，在所述時間段之后，基于計數(shù)器和該時間段確定流體中的顆粒的數(shù)量。預(yù)設(shè)的最低值尤其也可以是零，也就是說，每個被確定尺寸的顆粒都會使計數(shù)器增加計數(shù)。
[0021]為此，流體的流動性或通量可以是已知的或者通過通量測量裝置測量。還已知按照本發(fā)明的方法的測量效率，也就是說，平均有多少比例的實際存在于流體中的顆粒被所述方法測取。計數(shù)器可以基于測量效率進行修改，以便確定存在于流體中的顆粒的實際數(shù)量。通過通量、計數(shù)器和測量效率也可以推斷出顆粒在流體中的濃度。
[0022]此外還規(guī)定一種制造透鏡光學(xué)系統(tǒng)的方法，所述透鏡光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于按照本發(fā)明的用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備，所述方法具有如下步驟:在第一注塑步驟中注塑第一透鏡;在第二注塑步驟中注塑第二透鏡、第三透鏡和激光吸收裝置;和在所述激光吸收裝置上組裝所述第一透鏡。
[0023]最后還規(guī)定一種制造透鏡光學(xué)系統(tǒng)的方法，所述透鏡光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于按照本發(fā)明的用于確定流體中的顆粒的尺寸的設(shè)備，所述方法具有如下步驟:在單一的注塑步驟中注塑第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和激光吸收裝置。
[0024]本發(fā)明所依據(jù)的知識在于，通過圍繞中央射線阱安置多個不同的透鏡可以實現(xiàn)特別緊湊且同時特別有效的透鏡光學(xué)系統(tǒng)，其可以應(yīng)用于用于確定顆粒尺寸的設(shè)備中。
[0025]根據(jù)第二和第三透鏡的布置，激光束以不同的散射角度(也在一個且同一個顆粒上)被不同地轉(zhuǎn)向到第一或第二光電探測器上。通過分別測量相應(yīng)光電探測器上的光振幅或輻射功率，由此可以獲得關(guān)于散射角分布的信息。例如，較小的顆粒與較大的顆粒相比可以導(dǎo)致多個具有較小角度的散射角，較大的顆粒則可以按比例地導(dǎo)致較多的具有較大角度的散射角。
[0026]借助兩個角度信息、即分別來自各個光電探測器的角度信息實施的測量、也即對顆粒尺寸的確定，可以減小由于隨機的激光反射產(chǎn)生的背景信號(噪聲)。也就是說，信噪比可以更高。
[0027]通過借助注塑工藝制造一部分或整個透鏡光學(xué)系統(tǒng)可以使透鏡光學(xué)系統(tǒng)進一步小型化。此外，借助注塑工藝的制造是非常精確的，使得光學(xué)部件(例如透鏡)的特性的波動以及安裝不精度可以被最小化。這也可以省略裝配步驟和人工校準(zhǔn)步驟。
[0028]塑料、優(yōu)選有機玻璃的注塑尤其可以明顯減少制造成本并且對于制造速度是有利的。
[0029]由于緊湊且同時有效的實施方式，按照本發(fā)明的設(shè)備可以應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，如工業(yè)領(lǐng)域、基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)，其中包括建筑技術(shù)、環(huán)境監(jiān)控(如測量微塵和超細微塵)或車輛技術(shù)(測量過濾器效率)。
[0030]有利的實施方式和改進方案由從屬權(quán)利要求和說明書參照附圖給出。
[0031]根據(jù)按照本發(fā)明的設(shè)備的優(yōu)選的改進方案，所述第二透鏡部分圍繞所述第三透鏡。在此，“圍繞”尤其理解為，第三透鏡布置在第二透鏡的缺口或孔中，或者導(dǎo)引穿過該孔。由此提供了一個橫貫平面，在所述橫貫平面中，剖切第三透鏡的橫截面完全地間接或直接地被剖切第二透鏡的橫截面圍繞。由此，兩個透鏡特別節(jié)省空間地布置，由此該設(shè)備可以被更大程度地最小化。此外，當(dāng)?shù)诙哥R對齊地圍繞第三透鏡時，也就是當(dāng)?shù)诙哥R中的孔被第三透鏡完全封閉時，這種布置方式是氣密的。
[0032]根據(jù)另外優(yōu)選的改進方案，所述第二透鏡和第三透鏡還圍繞至少一個另外的透鏡。還可以設(shè)有至少一個另外的光電探測器，射入所述至少一個另外的透鏡的激光束被該透鏡轉(zhuǎn)向到所述至少一個另外的光電探測器上。如果設(shè)有更多的另外的透鏡，則一個透鏡可以分別圍繞下一個具有更小外半徑的透鏡，從而形成一種可描述為“勒盤形狀”的布置方式。對于所有第三透鏡以外的另外的透鏡可以設(shè)置另外的光電探測器，相應(yīng)的透鏡將激光束轉(zhuǎn)向到該光電探測器上。
[0033]根據(jù)另外優(yōu)選的改進方案，所述第一透鏡可以設(shè)計為由第一菲涅爾透鏡構(gòu)成的同心的第一截取段。第一透鏡可以使散射光、也就是散射的激光束均勻，也就是均勻地成像在第二和/或第三透鏡上。所述第二透鏡可以設(shè)計為由第二菲涅爾透鏡構(gòu)成的偏心的第二截取段。此外，所述第三透鏡可以設(shè)計為由第三菲涅爾透鏡構(gòu)成的偏心的第三截取段。菲涅爾透鏡可以較薄地簡單制造，該菲涅爾透鏡具有較高的、直徑相對于焦距的比例，并且對于所有幾何形狀可簡單地計算。
[0034]通過第二和第三透鏡的偏心的部分，使得射到第二和第三透鏡上的激光束同樣偏心地被偏轉(zhuǎn)(投射)到光電探測器上。
[0035]有利的是，偏心截取的第二透鏡和