Im Fokus des Laserstrahls

Dipl.-Ing. D. Löbbering

Ein wesentliches Anwendungsgebiet des Online-Particle-Sizers (OPS) ist die mechanische Verfahrenstechnik. Mit diesem Messgerät lassen sich Prozesse wie Zerkleinern, Klassieren, Mischen und Trocknen optimieren. Aber auch bei der Granulierung und Kristallisation leistet der Online-Particle-Sizer wesentliche Dienste. Das Gerät ist direkt mit dem Prozess verbunden und informiert zeitnah über die Korngrößenverteilung.

Die umfangreichen Messwerte, die der OPS liefert, müssen für den Einsatz in einer konventionellen Regelung typischerweise auf eine Kenngröße reduziert werden, wertvolle Zusatzinformationen bleiben ungenutzt. Eine zum OPS gehörende Fuzzy-Regelung ist demgegenüber in der Lage, auch mehrere Messgrößen aus einem Produktionsprozess zu verarbeiten. Die Anbindung an vorhandene Leittechniken erfolgt optional über Profibus, Industrial Ethernet sowie über serielle oder anwenderspezifische Protokolle.

Der OPS ist ein Prozess-Messgerät. Es ist robust gebaut, wartungsfreundlich, selbstkalibrierend und GMP-gerecht. Seine Messgeschwindigkeit ist für eine direkte Prozessregelung geeignet.

Die Partikelgrößenbestimmung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, wobei die Beugung von Laserlicht vor allem in Laborgeräten zur Anwendung kommt. Bei diesem Messprinzip nutzt man die Welleneigenschaften des Lichts aus, die charakteristische Beugungsstrukturen hervorruft. Zur Auswertung müssen diese komplizierten Intensitätsverteilungen genau gemessen, und in einem aufwendigen mathematischen Verfahren auf die Partikelgröße zurückgerechnet werden.

Der OPS arbeitet nach dem Time Of Transition Prinzip: Ein Laserstrahl wird so stark fokussiert, dass sein Durchmesser im Bereich von einigen µm liegt. Der Strahl wird gleichzeitig schnell abgelenkt und zwar quer zu seiner Ausbreitungsrichtung. Hinter der Fokusebene misst ein Detektor die ankommende Lichtintensität. Befinden sich Partikel in dem Fokusbereich, so überstreicht sie der schnell bewegte Laserstrahl und wird dabei unterbrochen. Die vom Detektor erfasste Lichtintensität sinkt sehr schnell auf Null. Sie steigt sofort wieder an, wenn keine Partikel mehr im Strahlengang sind. Bei bekannter Ablenkgeschwindigkeit des Strahls lässt sich aus der Dauer der Dunkelphase problemlos der Partikeldurchmesser ermitteln. Dieses Messprinzip vereint in sich mehrere Vorzüge:

• Die Arbeitsweise des OPS basiert auf einer Zeitmessung, die mit modernen Quarzoszillatoren einfach und sehr genau durchgeführt werden kann. Eine Kalibrierung auf verschiedene Produkte entfällt.

• Optische Parameter legen die Messzone fest. Der freie Raum zwischen den Optiken selbst ist so groß, dass es keine Verstopfungsgefahr gibt. Partikel, die außerhalb der Messzone durch den Strahl fallen, werden nicht erfasst und verursachen somit keine Störungen. Hinsichtlich der Messgenauigkeit spielt es keine Rolle, ob die Partikel in einem flüssigen oder festen Medium dispergiert sind.

• Der absolute Wert der Lichtintensität ist für die Messung mit dem OPS nicht wichtig. Ausschlaggebend für die genaue Bestimmung der Partikelgröße ist ihr schnelles Absinken bzw. Ansteigen. Eine verschmutzungsbedingte Abnahme der Lichtintensität hat keinen Einfluss auf die Qualität der Messergeb-nisse.

• Durch die einfache optische Anordnung ist der Strahlengang unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Fehljustierungen. Ferner erlaubt die hohe Auflösung des Messverfahrens eine sichere Unterscheidung dicht nebeneinander liegender Partikelklassen.

• Dem OPS liegt ein zählendes Verfahren zu Grunde. Deshalb ist das Messgerät in weiten Grenzen unempfindlich gegenüber Schwankungen der Partikelkonzentration.

Beispielsweise kann das OPS problemlos in einer Mahlanlage eingesetzt werden. Direkt im Produktionsprozess erfasst es in Luft dispergierte, frei fallende Partikel äußerst zuverlässig. Dabei wird ein kleiner Massenstrom vom Produktstrom abgezweigt und mit Hilfe eines Dispergiergerätes aufgearbeitet. In Abhängigkeit von der Beladung des Massenstroms dauert es knapp eine Minute bis die Messung stabil und statistisch sicher ist. Noch kürzer ist die Zeit, die das Gerät benötigt, um sich auf Änderungen einzustellen.

Ein Lichtstrahl lässt sich auf sehr kleine Durchmesser fokussieren, allerdings hat diese Fokussierung Grenzen. Diese ergeben sich aus den Eigenschaften der verwendeten Optik und der eingesetzten Lichtquelle. Am besten lässt sich kohärentes Laserlicht fokussieren. Mit geeigneten Maßnahmen kann man Durchmesser von 2 bis 4 mm erreichen. Das rote Licht der häufig benutzten Halbleiterlaser hat eine Wellenlänge von 0,635 µm, d.h. mit diesem Licht kann ein Fokusdurchmesser von 1,2 bis 2,4 µm erreicht werden.

Für die Messung mit dem OPS ist ein Durchmesser interessant, der sich aus der noch tolerierten Intensität ergibt, die der Detektor empfängt, wenn der Strahl durch ein kleines Partikel teilweise abgedeckt wird. Dieser Durchmesser liegt bei 1 µm und stellt auch die untere Mess-grenze des OPS dar. Die obere Messgrenze ergibt sich aus der Forderung, dass das Bahnsegment, auf dem Partikel noch genügend genau durch eine Gerade angenähert werden kann. Das bedeutet in der Praxis, dass Partikel mit einem maximalen Durchmesser von ca. 500 µm noch direkt gemessen werden können. Bei größeren Durchmessern ist die Krümmung der Bahn rechnerisch zu berücksichtigen.

Um den Strahl auf derartig kleine Durchmesser zu fokussieren, ist der Einsatz einer Optik mit sehr kurzen Brennweiten notwendig. Das bedeutet, der Strahl läuft sehr schnell zusammen wird aber kurz nach dem Brennpunkt wieder sehr breit. Teilchen, die vor oder nach dem Brennpunkt vom Strahl erfasst werden, können ihn nicht komplett abdecken. Folge: Die Lichtintensität sinkt nur leicht ab und wird vom Detektor nicht wahrgenommen.

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