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Mess- & Prüftechnik

Mess- & Prüftechnik: 06.07.2012

Tropfen zählen dank Zeitverschiebung

Wissenschaftler der TU Darmstadt haben ein neues Verfahren entwickelt, um die Größe und Geschwindigkeit von Tropfen und Partikeln in einer Strömung zu messen. Das neue Zählverfahren misst zuverlässig auch nichttransparente Partikel und Tropfen von Suspensionen oder Emulsionen. Industrielle Anwendungsgebiete ergeben sich unter anderem bei der Spritzlackierung.

Das neue Verfahren misst Größe und Geschwindigkeit von Tropfen und Partikeln von Suspensionen oder Emulsionen in einer Strömung. Quelle:TU Darmstadt

Das neue Verfahren misst Größe und Geschwindigkeit von Tropfen und Partikeln von Suspensionen oder Emulsionen in einer Strömung. Quelle:TU Darmstadt

Die Charakterisierung von Tropfen und Partikeln in einer Strömung steht im Zentrum zahlreicher verfahrenstechnischer Aufgaben, z.B. der Spritzlackierung. Bislang wurden dazu überwiegend optische Verfahren, die auf der Beugung eines (Laser-)Lichtstrahls basieren eingesetzt. Diese Verfahren ermitteln eine mittlere Tropfengröße aller Tropfen, die gleichzeitig im Laserstrahl sind, d.h. das Verfahren ist integral und misst nicht die Größe einzelner Tropfen. Daher müssen verhältnismäßig grobe Annahmen über die tatsächliche Größenverteilung gemacht werden. Zudem sind bisherige Messverfahren ungeeignet für die zuverlässige Erfassung nichttransparenter Partikel oder Tropfen von Suspensionen und Emulsionen. Grundsätzlich können die genannten Geräte nichttransparente Partikel zwar messen, die Geschwindigkeit und somit der Massenfluss jedoch nicht. Andere optische Messgeräte, die zwar die Geschwindigkeit messen, z.B. mittels Phase-Doppler-Messtechnik, können nichttransparente Teilchen nicht messen. Nun haben Wissenschaftler am Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik der TU Darmstadt das bereits bekannte Zeitverschiebungsverfahren so weiterentwickelt, dass solche Messungen in technischen Systemen zuverlässig und mit wenig apparativem Aufwand möglich sind. Dabei konnten die Forscher die bisherige optische Konfiguration wesentlich vereinfachen und verkleinern, sodass eine äußerst kompakte Bauweise für den industriellen Einsatz möglich ist. Das verbesserte Zeitverschiebungsverfahren lässt sich sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärtsstreuverfahren aufbauen und ist somit leicht für spezielle Aufgaben anzupassen. Zudem kann das Verfahren nicht nur Größe und Geschwindigkeit erfassen, sondern in vielen Fällen auch den Brechungsindex des Partikels messen, um dadurch zwischen verschiedenen Materialien oder Phasen unterscheiden zu können.

Kompakte Bauweise für den industriellen Einsatz

Das Messprinzip basiert auf der Lichtstreuung von Partikeln an einem dünnen Lichtstrahl, dessen Strahlleistung einen mathematisch beschreibbaren Intensitätsverlauf aufweist. Das beleuchtete Partikel streut das Licht mit der Intensität in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Partikels und dem Winkel zum Beobachtungspunkt. Bewegt sich ein Partikel durch den Lichtstrahl, wird die an dem Partikel gestreute Intensität zusätzlich eine Funktion der Zeit, die mit Hilfe eines Photo-Detektors gemessen werden kann. Das vergleichsweise einfache Messprinzip und die Umsetzung mit Laserdioden ermöglichen eine äußerst kompakte und kostengünstige Bauweise, die für den industriellen Einsatz ideal ist. Weitere Vorteile sind die Flexibilität hinsichtlich der Lichtquelle-Detektor-Anordnung und die Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Partikelgröße, Geschwindigkeit und Brechungsindex.
In der industriellen Lackiertechnik ist das Verfahren zum einen für die kontinuierliche Überwachung von Spritzprozessen geeignet. Zum anderen kann es gezielt zur Diagnose bei Fehlern im Lackierprozess eingesetzt werden.
Welche Partikel- bzw. Tropfengrößen sich mit dem neuen Verfahren messen lassen, hängt von verschiedenen Parametern, z.B. dem Arbeitsabstand ab. Typische Messbereiche sind jedoch 10 µm bis ca. 1 mm.
Der messbare Geschwindigkeitsbereich ist ebenfalls von mehreren Faktoren abhängig, u.a. vom gewählten Verfahren für die Geschwindigkeitsmessung. Geschwindigkeiten zwischen 0,2 m/s und 150 m/s sollten möglich sein – dieser große Bereich kann jedoch wahrscheinlich nicht in einem einzigen Gerät abgedeckt werden.

Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea, Tel. +49 6151 16-64227, ctropea@sla.tu-darmstadt.de, www.tu-darmstadt.de

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