用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法
【专利说明】用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法
[0001]本发明涉及一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备和方法。此外本发明还提供一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法以及制造按照本发明的设备的制造方法。
[0002]颗粒的探测及其尺寸确定在很多技术工作中处于核心地位。例如流体中的颗粒在过滤器前后可以被探测并确定其大小，以便确定过滤器的效果。
[0003]在以激光为基础的颗粒探测中，激光射入流体中、例如液体但通常是气体或气体混合物如空气，该流体可以具有待探测的颗粒。激光可以在颗粒上被散射并且以一定的角度被接收。由此所产生的信号可以被测量并且由此例如推断出颗粒尺寸。
[0004]待探测的颗粒尺寸可以通过信噪比(SNR)限定。在较大的结构中可以实现复杂的光学系统，用于优化信噪比。在有利地尽可能小型化的应用中，采用备选的措施。例如可以使用镜子或较大面积的透镜，用于接收更大数量的被散射的激光。
[0005]在文献US5 085 500A中描述了一种以激光为基础的颗粒计数器，其接收被颗粒散射的光线，这些颗粒在流体中穿越一个测量段。为了接收光线，布置多个光电探测器，使得只有被散射的激光束可以射入这些光电探测器。为了产生具有适合特征的激光束，由光源产生的激光束穿过多个膜片。
[0006]本发明提供一种具有权利要求1的特征的设备、具有权利要求11的特征的方法、具有权利要求13的特征的方法以及具有权利要求14的特征的制造方法和具有权利要求15的特征的制造方法。
[0007]据此规定，一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，其具有:透镜光学系统，所述透镜光学系统具有:激光吸收装置，所述激光吸收装置吸收从激光光源射出的激光束，所述激光束基本上无散射地穿透流体，
[0008]其中，所述激光吸收装置被第一透镜和第二透镜和第三透镜围绕，
[0009]其中，所述第一透镜将从所述激光光源射出的、在流体中的颗粒上散射的激光束至少部分地转向到第二透镜和/或第三透镜上，
[0010]其中，所述第二透镜将来自所述第一透镜的射入所述第二透镜的激光束基本上转向到第一光电探测器上，所述第一光电探测器根据转向到第一光电探测器上的激光束产生第一测量信号，
[0011]其中，所述第三透镜将来自所述第一透镜的射入所述第三透镜的激光束基本上转向到第二光电探测器上，所述第二光电探测器根据转向到第二光电探测器上的激光束产生第二测量信号；
[0012]并且所述设备还具有分析装置，所述分析装置分析两个光电探测器的测量信号，用于确定颗粒的尺寸。
[0013]此外还规定，一种用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法，所述方法具有如下步骤:
[0014]激光束射入流体中；在流体中的颗粒上散射的激光束借助第一透镜至少部分被偏转到第二透镜和/或第三透镜；
[0015]来自所述第一透镜的射入所述第二透镜的激光束借助所述第二透镜被转向到第一光电探测器上；
[0016]来自所述第一透镜的射入所述第三透镜的激光束借助所述第三透镜被转向到第二光电探测器上；
[0017]借助所述第一光电探测器根据被转向到第一光电探测器上的激光束而产生第一测量信号；
[0018]借助所述第二光电探测器根据被转向到第二光电探测器上的激光束而产生第二测量信号；
[0019]分析两个光电探测器的测量信号，用于确定颗粒的尺寸。
[0020]此外还规定，一种用于确定流体中的颗粒的数量的方法，其中，在一个时间段内持续地实施按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的方法;其中，在每次确定颗粒中的一个的尺寸时，如果相应所确定的该颗粒的尺寸超过了预设的最低值，则计数器加一;并且其中，在所述时间段之后，基于计数器和该时间段确定流体中的颗粒的数量。预设的最低值尤其也可以是零，也就是说，每个被确定尺寸的颗粒都会使计数器增加计数。
[0021]为此，流体的流动性或通量可以是已知的或者通过通量测量装置测量。还已知按照本发明的方法的测量效率，也就是说，平均有多少比例的实际存在于流体中的颗粒被所述方法测取。计数器可以基于测量效率进行修改，以便确定存在于流体中的颗粒的实际数量。通过通量、计数器和测量效率也可以推断出颗粒在流体中的浓度。
[0022]此外还规定一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤:在第一注塑步骤中注塑第一透镜;在第二注塑步骤中注塑第二透镜、第三透镜和激光吸收装置;和在所述激光吸收装置上组装所述第一透镜。
[0023]最后还规定一种制造透镜光学系统的方法，所述透镜光学系统应用于按照本发明的用于确定流体中的颗粒的尺寸的设备，所述方法具有如下步骤:在单一的注塑步骤中注塑第一透镜、第二透镜、第三透镜和激光吸收装置。
[0024]本发明所依据的知识在于，通过围绕中央射线阱安置多个不同的透镜可以实现特别紧凑且同时特别有效的透镜光学系统，其可以应用于用于确定颗粒尺寸的设备中。
[0025]根据第二和第三透镜的布置，激光束以不同的散射角度(也在一个且同一个颗粒上)被不同地转向到第一或第二光电探测器上。通过分别测量相应光电探测器上的光振幅或辐射功率，由此可以获得关于散射角分布的信息。例如，较小的颗粒与较大的颗粒相比可以导致多个具有较小角度的散射角，较大的颗粒则可以按比例地导致较多的具有较大角度的散射角。
[0026]借助两个角度信息、即分别来自各个光电探测器的角度信息实施的测量、也即对颗粒尺寸的确定，可以减小由于随机的激光反射产生的背景信号(噪声)。也就是说，信噪比可以更高。
[0027]通过借助注塑工艺制造一部分或整个透镜光学系统可以使透镜光学系统进一步小型化。此外，借助注塑工艺的制造是非常精确的，使得光学部件(例如透镜)的特性的波动以及安装不精度可以被最小化。这也可以省略装配步骤和人工校准步骤。
[0028]塑料、优选有机玻璃的注塑尤其可以明显减少制造成本并且对于制造速度是有利的。
[0029]由于紧凑且同时有效的实施方式，按照本发明的设备可以应用在不同的领域，如工业领域、基础建设行业，其中包括建筑技术、环境监控(如测量微尘和超细微尘)或车辆技术(测量过滤器效率)。
[0030]有利的实施方式和改进方案由从属权利要求和说明书参照附图给出。
[0031]根据按照本发明的设备的优选的改进方案，所述第二透镜部分围绕所述第三透镜。在此，“围绕”尤其理解为，第三透镜布置在第二透镜的缺口或孔中，或者导引穿过该孔。由此提供了一个横贯平面，在所述横贯平面中，剖切第三透镜的横截面完全地间接或直接地被剖切第二透镜的横截面围绕。由此，两个透镜特别节省空间地布置，由此该设备可以被更大程度地最小化。此外，当第二透镜对齐地围绕第三透镜时，也就是当第二透镜中的孔被第三透镜完全封闭时，这种布置方式是气密的。
[0032]根据另外优选的改进方案，所述第二透镜和第三透镜还围绕至少一个另外的透镜。还可以设有至少一个另外的光电探测器，射入所述至少一个另外的透镜的激光束被该透镜转向到所述至少一个另外的光电探测器上。如果设有更多的另外的透镜，则一个透镜可以分别围绕下一个具有更小外半径的透镜，从而形成一种可描述为“勒盘形状”的布置方式。对于所有第三透镜以外的另外的透镜可以设置另外的光电探测器，相应的透镜将激光束转向到该光电探测器上。
[0033]根据另外优选的改进方案，所述第一透镜可以设计为由第一菲涅尔透镜构成的同心的第一截取段。第一透镜可以使散射光、也就是散射的激光束均匀，也就是均匀地成像在第二和/或第三透镜上。所述第二透镜可以设计为由第二菲涅尔透镜构成的偏心的第二截取段。此外，所述第三透镜可以设计为由第三菲涅尔透镜构成的偏心的第三截取段。菲涅尔透镜可以较薄地简单制造，该菲涅尔透镜具有较高的、直径相对于焦距的比例，并且对于所有几何形状可简单地计算。
[0034]通过第二和第三透镜的偏心的部分，使得射到第二和第三透镜上的激光束同样偏心地被偏转(投射)到光电探测器上。
[0035]有利的是，偏心截取的第二透镜和