DE10062724B4 - Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen der inhärenten optischen Parameter Streukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Rückwärtsstreukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Rückstreukoeffizient einer Suspension, bei welchem
a) von einer ersten Strahlungsquelle (11) abgegebenes Licht auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) kollimiert und
b) von dem Streuvolumen (31) in den rückwärtigen Halbraum abgelenkt wird;
c) das abgelenkte Lichtbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird
d) das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von Ψ_min bis annähernd 180° begrenzt wird, wobei Ψ_{m in} durch den Durchmesser der Alendenanordnung festgelegt wird und minimal 90° beträgt und
e) auf einem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird, und
f) daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψ_min die Phasenfunktion für Rückwärtsstreuung abgeleitet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen der inhärenten optischen Parameter Streukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Rückwärtsstreukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension.
• Die Größen Absorption, Streuung, Rückstreuung, Vorwärsstreuung und Attenuation sowie deren jeweilige Koeffizienten werden als inhärente optische Parameter einer Suspension bezeichnet. Als Materialkonstanten hängen sie nur von den physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit und ihrer Inhaltsstoffe ab; sie sind in der Gewässeroptik wichtige Monitoring-Größen zur Beurteilung der Wasserqualität. Aus den spektralen Charakteristika der Absorption kann auf die Art der Inhaltsstoffe und ihre Konzentrationen geschlossen werden, aus dem Spektralverlauf der Attenuation auf ihre Korngrößenverteilung. Der Trübungsgrad spiegelt sich im Streukoeffizient wider. Der Rückstreukoeffizient wird vor allem für die biooptische Modellierung in der Gewässerfernerkundung benötigt.
• In 1 sind die verschiedenen Prozesse beim Durchgang eines Lichtstrahls durch ein infinitesimales Volumen dV einer Suspension veranschaulicht. Üblicherweise wird von Streuung gesprochen, wenn in einem Medium Licht durch Moleküle oder suspendierte Partikel aus seiner ursprünglichen Richtung in eine andere umgelenkt wird. Die Winkelabhängigkeit der Streuung wird durch ihre Phasenfunktion β(Ψ) beschrieben:

  
• Hierbei ist mit dΦ_s(Ψ) der pro infinitesimaler Wegstrecke dr um einen Winkel Ψ in das Raumwinkelelement dΩ abgelenkte Anteil des einfallenden Strahlungsflusses Φ_i bezeichnet. Der Streukoeffizient b wird aus β(Ψ) durch Integration über alle Raumrichtungen gebildet:

  
• Um den Rückstreukoeffizienten b_b zu erhalten, wird das Integral nicht über die gesamte Kugeloberfläche 4π ausgeführt, sondern nur über den rückwärtigen Halbraum (Ψ > 90°):

  
• Als Absorption wird die Umwandlung von Licht in thermische Energie oder chemische Bindung bezeichnet. Der Absorptionskoeffizient a ist definiert als:

  

  wobei dΦ_a der pro Wegstrecke dr absorbierte Strahlungsfluß ist.
• Der Attenuationskoeffizient c eines Lichtstrahls ergibt sich aus der Summe von Absorptions- und Streukoeffizient a bzw. b: c = a + b (5)
• Eine quantitativ genaue Erfassung des Rückstreukoeffizienten b_b ist jedoch nur durch Messen der Phasenfunktion β(Ψ) über das Winkelintervall 90° < Ψ < 180° möglich. Hierzu wird die zu untersuchende Suspension mit einem Parallelstrahl beleuchtet. Bei herkömmlichen Instrumenten wird der Empfänger auf einem Kreisbogen um das Probenvolumen bewegt.
• In 2 ist eine bekannte Anordnung dargestellt, die zur Bestimmung des Rückstreukoeffizienten b_b verwendet wurde. Bei diesen in situ Instrumenten wird die gesamte Meßeinrichtung einschließlich der Mechanik zum Verfahren des Empfängers getaucht; eine das Probenvolumen begrenzende Meßküvette entfällt. Der Aufbau von solchen tauchbaren Streulichtphotometern ist sehr aufwendig. Sender und Empfänger müssen in getrennten Gehäusen untergebracht und bewegliche Teile müssen gegen das Meßmedium abgedichtet werden.
• Aufgrund eines Scanmechanismus, bei dem der auf einem Arm befestigte Empfänger um das Streuvolumen gedreht wird, fallen die Geräteabmaße verhältnismäßig groß aus. Ferner ist das herkömmliche Meßverfahren empfindlich gegen eine Fehljustage der Sender- und Empfängerblickfelder relativ zueinander, was leicht durch Stöße und Erschütterungen beim Feldeinsatz hervorgerufen werden kann. Bislang wurden nur vereinzelte in situ Messungen der Phasenfunktion durchgeführt. Ein kommerzielles Meßgerät hierfür ist nicht erhältlich.
• Zur Vermeidung der komplizierter Gerätekonstruktion wird beispielsweise standardmäßig ein indirektes Meßverfahren angewendet, das auf einer näherungsweisen Proportionalität zwischen dem Rückstreukoeffizienten b_b und der unter einem festen Streuwinkel gemessenen Phasenfunktion β(Ψ) beruht. Hierbei ergab sich die beste Korrelation für Ψ = 120°. Eine Regression ergab im Mittel: b_b = 7,5 β(120°). Der Proportionalitätsfaktor variiert allerdings mit dem Gewässertyp und dessen Inhaltsstoffen.
• Basierend auf dieser Meßvorschrift wurde eine kommerziell erhältliche Tauchsonde entwickelt. Um deren Bauweise zu vereinfachen, beträgt bei dieser Tauchsonde der Meßwinkel jedoch 140°, was vor allem in schwebstoffreichen Küsten- und Binnen gewässern zu einer fehlerhaften Bestimmung des Rückstreukoeffizienten b_b führen kann. Die Größe der durch die indirekte Messung bei nicht optimalem Streuwinkel bedingten Abweichungen ist bislang nicht bekannt.
• Der Streukoeffizient b läßt sich, analog zum Rückstreukoeffizienten b_b, am genauesten durch Messung der Phasenfunktion β(Ψ) und anschließender Integration nach G1. (2) bestimmen. Die herkömmliche Meßanordnung entspricht der in 2 dargestellten, wobei die Grenzen des Sollintervalles 0° < Ψ < 180° aus dem detektierbaren Streuwinkelbereich ausgeschlossen werden müssen. In rückwärtiger Richtung schattet bei zu großem Streuwinkel der Empfänger den einfallenden Strahl ab. Bei zu kleinem Streuwinkel detektiert der Empfänger direkt transmittiertes Licht, was zu einer gravierenden Verfälschung des Meßsignales führen würde.
• Indirekt kann der Streukoeffizient b durch Korrelation mit einem in Vorwärtsrichtung gemessenen Wert der Phasenfunktion β(Ψ) festgelegt werden, wobei ein Meßwinkel Ψ < 15° vorteilhaft ist. Die Genauigkeit ist stark von den optischen Eigenschaften der Suspension abhängig und daher nicht allzu hoch.
• Weiterhin kann der Streukoeffizient b durch Messung des Attenuationskoeffizienten c und des Absorptionskoeffizienten a ermittelt werden. Der Streukoeffizient b ergibt sich nach G1. (5) aus der Differenz (c – a). Ein auf diesem Prinzip basierendes in situ Meßgerät ist bekannt. Das Ergebnis ist allerdings mit den Fehlern der beiden Meßgrößen (c und a) behaftet. Vor allem die Absorption ist schwierig zu bestimmen und weist in der Regel eine relativ große Ungenauigkeit auf.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine genaue, zuverlässige Bestimmung der inhärenten optischen Parameter Rückstreukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Streukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension durchführen und robuste, kompakte und für in situ Einsatz geeignete Einrichtungen zum Bestimmen dieser Koeffizienten anzugeben.
• Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch Verfahren zum Bestimmen der inhärenten optischen Parameter Rückstreukoeffizient, Vorwärtsstreukoeffizient, Streukoeffizient und Absorptionskoeffizient einer Suspension mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 4, 5, 6, bzw. 9 erreicht.
• Ferner sind gemäß der Erfindung eine Einrichtung und Weiterbildungen dieser Einrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den vorstehend angeführten Ansprüchen angegeben.
• Mit den erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie deren Weiterbildungen zur Durchführung der Verfahren kann die ,Phasenfunktion β(Ψ) in einem Bereich von 90° bis annähernd 180° bestimmt werden. Da bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen und deren Weiterbildungen die wesentlichen beweglichen Teile, wie beispielsweise eine Irisblende und ein dieser zugeordneter Antrieb innerhalb eines Gehäuses des Empfangsteils angeordnet sind, läßt sich auf diese Weise ein robustes in situ Instrument für Routinemessungen herstellen, das rauhen Feldeinsätzen standhält. Die Steuerung des Meßablaufs und die Datenerfassung erfolgen beispielsweise mittels eines internen Mikrokontrollers oder eines externen Computers. Die Kenntnis der Phasenfunktion in rückwärtiger Richtung erlaubt die Anwendung eines auf analytischem Wege ableitbaren Algorithmus für einen Zusammenhang zwischen der für die Fernerkundung verwendeten Größe Reflexion und den Materialeigenschaften Streuung und Absorption der Inhaltsstoffe.
• Durch eine Vereinfachung der Meßeinrichtung sowie deren Weiterbilungen in der Weise, daß abgesehen von einem gegebenenfalls benötigten kippbaren Umlenkspiegel keine beweglichen Teile benötigt werden, ist eine exakte Bestimmung der vorstehend im einzelnen angegebenen Koeffizienten ermöglicht.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung und deren Weiterbildungen zeichnen sich auch dadurch aus, daß die Wegstrecken, die das Licht im Meßmedium zurücklegt, sehr kurz gehalten sind. Somit wirkt die Attenuation der Suspension weniger auf das Meßsignal zurück als bei herkömmlichen Streulichtphotometern. Falls die Strahlungsdämpfung durch die Suspension nicht vernachlässigbar ist, kann die Attenuation mit einem Transmissometer bestimmt und bei der Datenauswertung berücksichtigt werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
• 1 schematisch verschiedene Prozesse beim Durchgang eines Lichtstrahls durch ein infinitesimales Volumen einer Suspension;
• 2 eine bekannte Anordnung zum Bestimmen des Rückstreukoeffizienten;
• 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zum Bestimmen der Phasenfunktion, und
• 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Streulichtempfangs in einem Transmissiometer.
• In 3 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer tauchbaren Einrichtung zum Bestimmen des Rückstreukoeffi zienten dargestellt, die einen in einem ersten Gehäuse 10 untergebrachten Sendeteil 1 und einen in einem zweiten Gehäuse 20 untergebrachten Empfangsteil 2 aufweist. Der Bereich zwischen den beiden Gehäusen 10 und 20 ist mit Flüssigkeit bzw. dem Meßmedium in Form einer zu bestimmenden Suspension gefüllt. Die beiden Gehäuse 10, 20 können beispielsweise mittels – in 3 nicht dargestellter – Verbindungselementen, wie Bolzen, die das Durchströmen des Meßmediums nicht behindern, fest miteinander verbunden sein. Als eine erste Strahlungsquelle 11 können beispielsweise Laser oder LEDs dienen. Weißlichtquellen, wie Halogenlampen, Gasentladungslampen, erlauben spektral aufgelöste Messungen. Zur Beleuchtung einer Suspension wird das von der Strahlungsquelle 11 abgegebene Licht mittels eines Kollimators 12 gebündelt, wobei die einfallende Lichtleistung stabilisiert sein oder gemessen werden muß.
• Mittels eines im Gehäuse 10 ortsfest angeordneten Parabolspiegels 13 mit einer zentralen Durchtrittsöffnung wird das in einem Streuvolumen 31 unter Winkeln von 90° bis annähernd 180° abgelenkte Licht in Form von Parallelstrahlen 4 auf eine Sammellinse 21 im Gehäuse 20 abgebildet. Das Streuvolumen 31 befindet sich im Brennpunktbereich des Parabolspiegels 13. Die von der Strahlung im Meßmedium 3 zurückgelegte Wegstrecke ist somit unabhängig vom Streuwinkel.
• Die Sammellinse 21 fokussiert die Strahlung auf einem Empfangselement 22, beispielsweise einer Photodiode oder auch einen handelsüblichen Miniaturspektrometer. Zum Verbessern der optischen Abbildung ist die Planseite der Sammellinse 21 zum Empfangselement (Detektor) 22 hin ausgerichtet. Hierbei ist die Sammellinse im Gehäuseinneren angeordnet und davor ist eine Glasplatte als Fenster anzubringen, was in 3 im einzelnen nicht dargestellt ist.
• Strahlung, die das Streuvolumen 31 ohne Ablenkung durchläuft, wird mittels einer Lichtfalle absorbiert, welche, was in 3 nicht dargestellt ist, zentrisch auf der Sammellinse 21 angebracht ist. Sollte aus der Lichtfalle rückgestreute Strahlung das Meßsignal beeinflussen, kann die nicht gestreute Strahlung alternativ mit einem Ablenkspiegel 23 aus der Meßanordnung entfernt werden. Der Ablenkspiegel 23 kann kleiner ausgeführt sein als eine entsprechende Lichtfalle. Dadurch läßt sich ein größerer Streuwinkelbereich detektieren. Allerdings muß dann Streulicht, das in dem Bereich entsteht, in dem der Strahl parallel zur Linsenoberfläche verläuft, durch eine am besten auf die Linse aufgebrachte Blende abgeblockt werden; denn alles Streulicht aus diesem Bereich, das senkrecht auf die Sammellinse trifft, trägt zum Meßsignal bei.
• Zur Abblockung von Falschlicht, das auf den Detektor 22 treffen würde, können weitere Blenden oder optische Elemente in den Strahlengang eingesetzt werden. Der Einfluß von Tageslicht auf das Meßsignal wird dadurch ausgeschaltet, daß das bei abgeschaltetem Sendeteil 1 gemessene Licht von dem Meßsignal subtrahiert wird. Das Eindringen von Umgebungsstrahlung in den Bereich zwischen die beiden Gehäuse 10, 20 kann durch Blenden unterbunden werden.
• Durch Anordnen sämtlicher abbildender optischer Elemente auf der durch die Strahlungsquelle 11 im Sendeteil 1 und das Empfangselement 22 im Empfangsteil 2 festgelegten Achse ist es nun möglich, die Phasenfunktion β(Ψ) mittels einer durch einen Elektromotor 25 angetriebenen und dadurch verstellbaren Irisblende 24 zu messen, deren Mittelpunkt ebenfalls auf dieser Achse liegt. Die Irisblende 24 ist im Gehäuse 20 zwischen Sammellinse 21 und Detektorelement 22 angeordnet. Durch den Innendurchmesser des Blendenloches der Irisblende 24 wird der Öffnungswinkel des im Streuvolumen 3 nach rückwärts abgelenk ten Strahlbündels und damit die zum Empfangselement 22 durchgelassene Lichtleistung festgelegt.
• Die Phasenfunktion β(Ψ) ergibt sich durch Differenzieren des Meßsignals nach dem durch die jeweilige Blendenstellung vorgegebenen, maximal detektierbaren Streuwinkel. Der Rückstreukoeffizient b_b entspricht dem Meßsignal bei der Einstellung, bei der die Irisblende 24 Streuwinkel kleiner 90° abblockt. Da die Größe des Streuvolumens 3, aus welchem Licht vom Brennfleck des Parabolspiegels 13 auf den Empfangselement 22 gelangen kann, sich mit dem Streuwinkel Ψ ändert, ist eine Kalibration der Phasenfunktion β(Ψ) nötig. Dies kann auf zwei verschiedene Weisen durchgeführt werden.
• Zum einen ist dies durch Vergleich der Meßsignale mit einem herkömmlichen Streulichtmeßgerät nach 2 möglich, wofür Kalibrierverfahren bekannt sind. Zum anderen kann eine Kalibration des Meßgerätes in bekannter Weise durch Verwendung einer fluoreszierenden Flüssigkeit anstelle der Suspension erreicht werden; die Phasenfunktion der Fluoreszenz ist aus der Theorie ableitbar. Der durch die Kalibrierung erhaltene Gewichtungsverlauf für die Phasenfunktion kann per Software eingerechnet werden. Zu beachten ist, daß die Größe des Streuvolumens so dimensioniert wird, daß größere Partikelfraktionen nicht unterrepräsentiert sind.
• Ist die Kalibrierfunktion für eine die Phasenfunktion erfassende Meßeinrichtung nach 3 bekannt, kann der Gewichtungsverlauf als Funktion des Streuwinkels auch mittels einer feststehenden Blende mechanisch nachgebildet werden; in einem solchen Fall ist die Irisblende 24 dann zum Bestimmen des Rückstreukoeffizienten nicht mehr notwendig. Statt dessen kann eine feststehende Blende in den Strahlengang eingebracht, beispielsweise auch auf die Planseite der Sammellinse 21 aufgebracht werden. Hierbei ist die Blende so zu dimensio nieren, daß jeder Streuwinkelbereich dΨ im Integral von G1. (3) automatisch richtig gewichtet wird.
• Der Rückstreukoeffizient b_b wird somit mit einer einzigen Messung erhalten. Mittels des Parabolspiegels 13 wird die gestreute Strahlung aus fast dem kompletten rückwärtigen Halbraum erfaßt. Nur ein kleiner Bereich um Ψ = 180° kann aufgrund der Beeinträchtigung des Strahlenganges durch den Ablenkspiegel 23 bzw. eine Lichtfalle nicht erfaßt werden. Dieser Streuwinkelbereich trägt aber nach G1.(3) wegen seiner geringen Gewichtung mit sinΨ nur wenig zum Rückstreukoeffizienten bei. Der resultierende Fehler ist sehr klein und kann leicht durch Annahme eines plausiblen Verlaufes für die Phasenfunktion korrigiert werden.
• Mit der Einrichtung nach 3 kann somit eine wesentlich präzisere Messung des Rückstreukoeffizienten als mit der bisher üblichen indirekten Methode durchgeführt werden, bei der nur das Signal bei einem einzelnen Streuwinkel zur Extrapolation auf den Rückstreukoeffizienten b_b verwendet wird. Auch ist das Meßergebnis nicht mehr von der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe der Suspension abhängig.
• Wird der in 3 dargestellte Strahlengang des beleuchtenden Lichtbündels umgekehrt, kann mit der Einrichtung das Vorwärtsstreuverhalten (Ψ < 90°) der Suspension untersucht werden. Analog zu den vorstehend beschriebenen Methoden ist entweder die Phasenfunktion in Vorwärtsrichtung oder ohne verstellbare Irisblende nur der Vorwärtsstreukoeffizient bestimmbar.
• Eine Umkehr des Strahlenverlaufs kann dadurch erreicht werden, daß die Strahlungsquelle beispielsweise an die Stelle verlagert wird, an welcher der einfallende Strahl aus dem Be reich zwischen den beiden Gehäusen 1 und 2 austritt. Dies ist in 3 durch eine gestrichelt wiedergegebenen (zweite) Strahlungsquelle 11' angedeutet, der eine ebenfalls gestrichelt wiedergegebene Kollimatorlinse 12' nachgeordnet ist. Mittels dieses Strahlengangs wird nunmehr das Streuvolumen 31 über den Ablenkspiegel 23 von der entgegengesetzten Seite beleuchtet; im Streuvolumen gestreutes Licht wird wiederum über den Parabolspiegel 13 und die Sammellinse 21 letztendlich auf den Detektor 22 abgebildet; nicht abgelenkte Strahlung tritt durch die zentrale Durchtrittsöffnung des Parabolspiegels 13. Um deren Durchmesser klein zu halten, kann der Strahl der Strahlungsquelle 11' auch auf die Bohrung fokussiert werden. An der Position der Strahlungsquelle 11 ist eine Lichtfalle anzubringen oder der Strahl ist ins Freie zu entlassen. In dem zuletzt erwähnten Fall kann das den Parabolspiegel 13 umgebende Gehäuse 10 entfallen.
• Durch eine Abänderung der Einrichtung zum Bestimmen des Rückstreukoeffizienten kann somit auch der Vorwärtsstreukoeffizient und/oder die Phasenfunktion in Vorwärtsrichtung bestimmt werden, ohne daß zusätzliche bewegliche Teile benötigt werden.
• Vorstehend sind Meßeinrichtungen zur Bestimmung des Rückstreukoeffizienten b_b und Varianten zur Ermittlung der Vorwärtsstreuung beschrieben. Aus deren Kombination lassen sich der Streukoeffizient und dessen Phasenfunktion messen. Dies kann beispielsweise durch zwei getrennte Geräte für Vor- und Rückwärtsstreuung geschehen oder auch durch Integration von zwei Strahlungsquellen, beispielsweise durch die Strahlungsquellen 11 und 11' in 3 in ein Gerät. Die Strahlungsquellen 11 und 11' sind so anzuordnen, wie in Verbindung mit der Meßeinrichtung der 3 und deren Abwandlung beschrieben ist.
• Ein wesentlich einfacherer Aufbau läßt sich durch eine andersartige Erweiterung der in 3 dargestellten Meßeinrichtung erreichen. Um die Phasenfunktion auch in Vorwärtsrichtung (Ψ < 90°) bestimmen zu können, wird der Ablenkspiegel 23 in 3 mit Hilfe einer Verstelleinheit so gekippt, daß der durch die Durchtrittsöffnung des Parabolspiegels 13 austretende Strahl nach Durchquerung des Streuvolumens 31 in sich reflektiert wird. Die Partikel im Streuvolumen 31 werden somit quasi gleich stark von vorne und von hinten beleuchtet. Der Parabolspiegel 13 sammelt dadurch zusätzlich zur rückwärtigen Streustrahlung auch den vorwärts gestreuten Anteil des zurückgeworfenen Strahls.
• Bei der vorstehend beschriebenen Stellung des Ablenkspiegels 23 senkrecht zum einfallenden Strahl wird beim Durchfahren der verstellbaren Irisblende 24 nach der Differenzierung des Meßsignal die Summe der Phasenfunktionen aus vorderem und hinterem Halbraum β(Ψ) + β(180° – Ψ) detektiert. Wird β(Ψ) für den Rückwärtsbereich mit unter 45° schräg gestelltem Ablenkspiegel 23 getrennt gemessen, läßt sich die Phasenfunktion über annähernd den kompletten Streuwinkelbereich 0° < Ψ < 180° bestimmen.
• An den Intervallgrenzen kann die Phasenfunktion nicht erfaßt werden. Es gelten die gleichen Argumente wie beim herkömmlichen Meßverfahren. Allerdings ist der mechanische Aufbau der Meßeinrichtung im Vergleich dazu wiederum wesentlich kompakter und robuster. Die Kalibration des Instrumentes erfolgt analog zu derjenigen der Phasenfunktions-Meßeinrichtung für Rückstreuung.
• Soll nur der Streukoeffizient b und nicht die Phasenfunktion β(Ψ) ermittelt werden, können die Irisblende 24 und die Verstellmöglichkeit für den Ablenkspiegel 23 entfallen. Letzte rer wird senkrecht zur optischen Achse montiert, so daß der beleuchtende Strahl in sich reflektiert wird. Die Kalibration wird wie bei der Einrichtung zur Bestimmung des Rückstreukoeffizienten mittels einer mechanischen Blende erreicht. Während bei jener die Blende für jeden Streuwinkel die richtige Gewichtung der Phasenfunktion ermöglicht, wird hier mittels der Blende die Gewichtung für die Summe β(Ψ) + β(180° – Ψ) der beiden komplementären Streuwinkel festgelegt.
• Hierdurch ergeben sich keine Schwierigkeiten. Die Vorwärtsstreuung dominiert die Rückwärtsstreuung; somit kann die Blende 24 an die Vorwärtsrichtung angepaßt werden. Bei Beleuchtung der Partikel von der einen Seite ist die gleiche Blendenform und -größe wie bei der Beleuchtung von der anderen Seite zu verwenden, da das Streuvolumen 31, von dem aus Licht vom Brennpunktbereich des Parabolspiegels 3 auf den Detektor 22 treffen kann und welches somit die Gewichtungsfunktion festlegt, für beide Strahlrichtungen prinzipiell gleich groß ist.
• Die Messung der Absorption in trüben Medien ist beim Stand der Technik wenig zufriedenstellend gelöst. Das grundsätzliche Problem liegt darin, daß das Meßsignal durch Streuung im Absorptions- bzw. Meßvolumen beeinflußt wird. Das Streulicht kann in Absorptionsmeßgeräten kaum vollständig auf das Empfangselement abgebildet werden und täuscht einen erhöhten Absorptionskoeffizienten vor.
• Der Absorptionskoeffizient a kann durch Messung des Attenuationskoeffizienten c und des Streukoeffizienten b gemäß G1.(5) ermittelt wird. Der Absorptionskoeffizient a ergibt sich gemäß G1.(5) zu: a = c – b
• Auf diese Weise ist eine präzise Bestimmung der Absorption erreicht, da die bei herkömmlichen Meßverfahren störende Größe Streuung hierbei direkt erfaßt wird. Der Aufbau vereinfacht sich, wenn für beide Meßgrößen die gleiche Beleuchtungsquelle verwendet wird.
• Die Detektion des Attenuationskoeffizienten c erfolgt mit einer Transmissionsmeßeinheit. Sie ermittelt die durch Absorption und Streuung bedingte Intensitätsabnahme eines parallelen Lichtstrahls beim Durchgang durch das Meßmedium. Der Akzeptanzwinkel der Empfängeroptik ist sehr klein zu wählen, damit kein gestreutes Licht auf den Empfänger trifft.
• Als Meßeinrichtung zur Ermittlung des Streukoeffizienten bietet sich aufgrund ihrer robusten und kompakten Ausführung die vorstehend beschriebene Einrichtung an. Allerdings kann, ebenso wie bei herkömmlichen Geräten, keine unter sehr großem oder sehr kleinem Winkel gestreute Strahlung erfaßt werden. Während die Auswirkungen auf die Genauigkeit des Streukoeffizienten b durch den fehlenden Winkelbereich um 180°, wie vorstehend ausgeführt, gering sind, darf der Meßfehler durch den nicht detektierbaren Streuwinkelbereich in Vorwärtsrichtung nicht vernachlässigt werden, da hier die Phasenfunktion sehr große Werte annimmt.
• Der von einem Streulichtphotometer, beispielsweise nach 3, jedoch auch nach 2, nicht erfaßte Vorwärtsbereich kann durch Erweiterung des Transmissometers um einen oder mehrere Streulichtempfänger gemessen werden. Diese sind, wie in 4 für einen Streulichtempfänger angedeutet, auf Höhe des Durchlichtempfängers seitlich versetzt zur optischen Achse anzuordnen. Der Versatz bestimmt den mittleren detektierten Streulichtwinkel und die geometrischen Abmessungen der(s) Empfängers) bestimmen den Umfang der erfaßten Winkelbereiche.
• Die Kalibration des Streulichtempfängers kann, wiederum mit einer geeigneten Phasenfunktions-Meßeinrichtung oder einer fluoreszierenden Flüssigkeit durchgeführt werden. Das erhaltene Meßsignal ist zur Berichtigung des zu klein gemessenen Streukoeffizienten vom Transmissionswert zu subtrahieren.
• Alternativ zur Erfassung des Streukoeffizienten mit dem vorstehend beschriebenen, vereinfachten Aufbau einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Streukoeffizienten und der Transmissionseinheit für das nur geringfügig abgelenkte Vorwärtsstreulicht kann auch die Phasenfunktion mit der beschriebenen Einrichtung zur Bestimmung der Phasenfunktion im Vorwärts- und Rückwärtsstreubereich ermittelt, auf den nicht detektierbaren Bereich extrapoliert und anschließend integriert werden.

1

Sendeteil

10

erstes Gehäuse

11

Strahlungsquelle

11'

Strahlungsquelle

12

Kollimator

12'

Kollimator

13

Parabolspiegel

2

Empfangsteil

20

zweites Gehäuse

21

Sammellinse

22

Empfangselement (Detektor)

23

Ablenkspiegel

24

Irisblende

25

Elektromotor für 24

3

Meßmedium (Suspension)

31

Streuvolumen

4

Parallelstrahlen

Ψ

Streuwinkel

β (Ψ)

Phasenfunktion

b

Streukoeffizient

b_b

Rückstreukoeffizient

a

Absorptionskoeffizient

c

Attenuationskoeffizient

Claims (16)

1. Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Rückstreukoeffizient einer Suspension, bei welchem a) von einer ersten Strahlungsquelle (11) abgegebenes Licht auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) kollimiert und b) von dem Streuvolumen (31) in den rückwärtigen Halbraum abgelenkt wird; c) das abgelenkte Lichtbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird d) das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von Ψ_min bis annähernd 180° begrenzt wird, wobei Ψ_{m in} durch den Durchmesser der Alendenanordnung festgelegt wird und minimal 90° beträgt und e) auf einem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird, und f) daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψ_min die Phasenfunktion für Rückwärtsstreuung abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiehnet, daß im Hinblick auf die Abhängigkeit der Größe des Streuvolumens (31) die Phasenfunktion β(Ψ) einer Kalibrierung unterzogen wird, welche entweder mit Hilfe eines kalibrierten herkömmlichen Meßgeräts oder mittels einer fluoreszierenden Flüssigkeit erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeihnet, daß das Streuvolumen ohne Ablenkung durchlaufende Lichtstrahlung abgelenkt und/oder absorbiert wird.
4. Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Vorwärtsstreukoeffizient einer Suspension, bei welchem a') von einer zweiten Strahlungsquelle (11') abgegebenes Licht über einen Umlenkspiegel (23) auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) kollimiert und b') von dem Streuvolumen (31) in den Parabolspiegel-Halbraum abgelenkt wird; c') das abgelenkte Lichtbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt wird, d') das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von etwas größer 0° bis Ψ_max begrenzt wird, wobei Ψ_max durch den Durchmesser der Blendenanordnung festgelegt wird und maximal 90° beträgt, e') auf einem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird, und f') daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψ_max die Phasenfunktion für Vorwärtsstreuung abgeleitet wird.
5. Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Streukoeffizient einer Suspension, bei welchem a'') von einer ersten Strahlungsquelle (11) abgegebenes Licht und von einer zweiten Strahlungsquelle (71') abgegebenes, über einen Umlenkspiegel (23) umgelenktes Licht auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) kollimiert und b'') von dem Streuvolumen (31) in den Parabolspiegel-Halbraum abgelenkt werden; c'') die abgelenkten Lichtbündel in parallele Strahlenbündel umgeformt werden, d'') das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von Ψ_min bis 180° – Ψ_min begrenzt werden, wobei Ψ_min durch den Durchmesser der Blendenanordnung festgelegt wird und minimal etwas größer als 0° ist, e'') auf einem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt werden, und f'') daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψ_min die Summe der Phasenfunktion für Vor- und Rückwärtsstreuung abgeleitet wird.
6. Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Streukoeffizient einer Suspension, bei welchem von einer ersten Strahlungsquelle (11) abgegebenes Licht auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunktbereich eines Parabolspiegels (13) sowie das Streuvolumen (31) durchquerendes Licht durch einen senkrecht zum Strahlengang ausgerichteten, verkippbaren Spiegel in sich reflektiert und zusammen mit dem auf das Streuvolumen (31) kollimierten Licht von dem Streuvolumen (31) in den Parabolspiegel-Halbraum abgelenkt werden; c''') das gesamte abgelenkte Lichtbündel in ein paralleles Strahlenbündel umgeformt, d''') das parallele Lichtbündel mittels einer verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) auf Streuwinkel Ψ in einem Bereich von Ψ_min bis 180° – Ψ_min begrenzt wird, wobei Ψ_min durch den Durchmesser der Blendenanordnung festgelegt wird und minimal etwas größer als 0° ist, e''') auf dem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird, und f''') daraus durch Differenzieren des Meßsignals nach Ψ_min die Summe der Phasenfunktion für Vor- und Rückwärtsstreuung abgeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das beleuchtende Strahlenbündel nach Durchqueren des Streuvolumens (31) mittels des verkippbaren, zunächst senkrecht zum Strahlenbündel ausgerichteten Spiegels zuerst in sich reflektiert wird und anschließend nach Verkippen des senkrecht zum Strahlengang ausgerichteten Spiegels um 45° aus der Meßein richtung herausgeleitet wird, so daß beim ersten Meßvorgang der Streukoeffizient, beim zweiten Meßvorgang der Rückstreukoeffizient und aus der Differenz der Vorwärtsstreukoeffizient bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der verstellbaren Blendenanordnung (24, 25) beim ersten Meßvorgang die Summe der Phasenfunktionen für Vor- und Rückwärtsstreuung, beim zweiten Meßvorgang nur die Phasenfunktion für Rückwärtsstreuung und aus der Differenz die Phasenfunktion für Vorwärststreuung bestimmt wird
9. Verfahren zum Bestimmen des inhärenten optischen Parameters Absorptionskoeffizient a einer Suspension, wobei der Attenuationskoeffizient c der Suspension mittels eines herkömmlichen Transmissionsmeßgeräts gemessen wird und der Streukoeffizient b gemäß einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 bestimmt wird, und sich durch Subtraktion der Absorptionskoeffizient a ergibt als a = c – b.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten dichten Gehäuse (10) eine Strahlungsquelle (11) und ein Parabolspiegel (13) mit zentraler Durchtrittsöffnung und in einem zweiten, in Abstand von dem ersten Gehäuse (10) vorgesehenen und diesem (10) ortsfest zugeordneten Gehäuse (20) eine Sammellinse (21), eine verstellbare Blendenanordnung (29, 25) und ein Empfangselement (22) untergebracht und auf der durch die Strahlungsquelle (11) im Gehäuse (10) und das Empfangselement (22) im Gehäuse (20) festgelegten optischen Achse in der Weise angeordnet sind, daß von der Strahlungsquelle (11) abgegebenes und auf ein Streuvolumen (31) im Brennpunkt-Bereich des Parabolspiegels (13) auftreffendes Licht in den rückwärtigen Halbraum abgelenkt, durch das Streuvolumen (31) abgelenktes Licht auf Streuwinkel Ψ zwischen 90° und annähernd 180° begrenzt, auf dem Empfangselement (22) fokussiert und dort erfaßt wird und somit der Rückstreukoeffizient b_b bestimmt wird und/oder in einer. Recheneinheit durch Differenzieren des dem empfangenen Licht proportionalen Meßsignals eine Phasenfunktion β(Ψ) entsprechend dem detektierten Streuwinkelbereich gebildet wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenazeichnet, daß die verstellbare Blendenanordnung eine Irisblende (24) ist, zu deren Verstellung ein Elektromotor (25) vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bekannten Kalibrierung für die Phasenfunktion β(Ψ) statt der einstellbaren Blendenanordnung eine feststehende mechanische Blende vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Blende auf der Planfläche der Sammellinse (23) angebracht ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum der Sammellinse (21) eine Lichtfalle vorgesehen ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (23) zum Entfernen von nicht im Streuvolumen abgelenktem Licht vorgesehen ist.
16. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 6, wobei in der Einrichtung nach Anspruch 10 vor dem Gehäuse (20) der verkippbare, senkrecht zum Strahlengang ausgerichte te Spiegel oder im Zentrum der im Gehäuse (20) untergebrachten Sammellinse (21) und somit auf der optischen Achse der Einrichtung zum Reflektieren des das Streuvolumen (31) durchquerenden Lichts in sich ein Spiegelelement mit einem etwa den Durchmesser des Streuvolumens (31) entsprechenden Durchmesser vorgesehen ist.