DE19706890A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen von Partikeln im Fluge - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum überwachen von Partikeln im Fluge in thermischen Spritzprozes­ sen und anderen industriellen Prozessen.

Beim thermischen Spritzen allgemein und beim Plasmaspritzen im besonderen handelt es sich um eine leistungsfähige Technik, die weit verbreitet verwendet wird, um Schutzschichten auf einer großen Vielfalt von Substraten zu erzeugen. Beispielsweise wer­ den Wärmesperrschichten beim Herstellen von Luftfahrzeugmotoren plasmagespritzt und keramische und metallische Beschichtungen werden für verschiedene Zwecke thermisch gespritzt.

Die Eigenschaften von Beschichtungen hängen von vielen Spritz­ parametern ab, von denen einige mit dem Spritzkanonenbetrieb in Beziehung stehen. Infolge davon ist eine Spritzprozeßsteuerung durch überwachen und Regeln von Kanoneneingangsvariablen imple­ mentiert worden. Beim Plasmaspritzen werden Parameter, wie etwa der Lichtbogenstrom und die -leistung, die Lichtbogengasstrom­ raten, die Pulverzuführrate und der Pulverträgergasdruck ge­ steuert, um sie auf vorbestimmten optimalen Werten zu halten. Dieser Steuerungsansatz hat sich als Komplex herausgestellt, da eine große Anzahl von miteinander in Beziehung stehenden Ein­ gangsvariablen überwacht werden müssen, und er hat sich als unvollständig herausgestellt, da einige Variable, wie etwa der Elektrodenverschleißzustand, überhaupt nicht überwacht werden können.

Ein alternativer Steueransatz ist in dem US-A-5 180 921 beschrieben, demnach die Temperatur und die Geschwindigkeit der gespritzen Partikel vor ihrem Auftreffen auf dem Substrat über­ wacht werden. Eine On-Line-Messung dieser Partikelparameter, welche die Struktur der gespritzten Beschichtungen direkt beeinflussen, kann ein wirksames Rückkopplungssignal bereit­ stellen, um eine Rückkopplung für die Kanoneneingangsparameter durchzuführen, und ein Diagnosewerkzeug zur Ermittlung eines jeglichen Problems während des Beschichtungsvorgangs.

Die Erfassung von Information über die Partikelströmung ist auch für andere industrielle Anwendungen zweckmäßig. Beispiels­ weise die Herstellung von Metallpulvern durch Gaszerstäubung sieht die Zerstäubung eines geschmolzenen Metalls durch eine Reihe von Gasstrahlen vor, und eine On-Line-Messung der Parti­ keltemperatur, der -geschwindigkeit und des -durchmessers stellt eine Schlüsselinformation über den Zustand des Prozesses bereit.

Unterschiedliche Techniken stehen zur Messung des Durchmessers von Partikeln im Fluge in industriellen Umgebungen bereit. Einige Techniken basieren auf einer Laserstrahlbeleuchtung der Partikel im Fluge, um Partikeleigenschaften zu erhalten. Bei­ spielsweise ist die Doppellaserstrahl-Doppler-Anemometrie durch M.J. Rudd (US-A-3 680 961) und durch R. Adrian und K.L. Orion in Applied Optics, 16 (1977), S. 677-684, vorgeschlagen worden, um gleichzeitig die Größe und die Geschwindigkeit sich bewegen­ der Partikel zu messen. D.J. Holve und K.D. Annen in Optical Engineering, 23 (1984), S. 591-603, beschreiben eine unter­ schiedliche Anordnung, bei welcher ein Laserstrahl verwendet wird, um die sich bewegenden Partikel zu beleuchten, und die Streustrahlung wird in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ermit­ telt. Die Partikelgröße und -geschwindigkeit werden nach einer Entschachtelung der ermittelten Signale erhalten. Um die Behandlung von Signalen zu vereinfachen, die zur Form des La­ serstrahls in Beziehung stehen, haben G. Grehan und G. Goues­ bet, Applied Optics 25 (1986), S. 3527-3538, ein System zum Messen der Partikelgröße und -geschwindigkeit unter Verwendung einer Hauben(Top-Hat)-Strahltechnik entwickelt. Das Messen des Durchmessers und der Geschwindigkeit von Partikeln kann auch aus der Phasenverschiebung der Laserstreustrahlung erhalten werden, wie beispielsweise durch W.D. Bachalo (US-A-4 854 705), P. Buchhave, J. Knuhtsen und P.E.S. Olidag (US-A-4 701 051) und T.A. Hatton und J.L. Plawsky (US-A-4 662 749) beschrieben.

Der vorstehend erläuterte Stand der Technik ergibt unzuverläs­ sige Durchmessermessungen, wenn die Partikel nicht kugelförmig sind, was beim thermischen Spritzprozeß üblich ist, wenn Parti­ kel nicht vollständig geschmolzen sind. Andere Ansätze verwen­ den mehr als einen Laserstrahl mit unterschiedlichen Wellenlän­ gen und aus der Intensität und/oder der Polarisation der Streu­ strahlung werden der Durchmesser und die Geschwindigkeit der sich bewegenden Partikel ermittelt (beispielsweise J.C. Wang und K.R. Henken in Applied Optics 25 (1986), S. 653-657, und US-A-4 854 705 (W.D. Bachalo)).

Unterschiedliche Techniken sind verwendet worden, um Partikel­ parameter in thermischen Spritzprozessen zu messen, einschließ­ lich der Partikeltemperatur. Eine gleichzeitige Messung der Partikelgröße, -geschwindigkeit und -temperatur ist durch J.R. Fincke, W.D. Swank, C.L. Jeffery und C.A. Mancuso in Meas. Sci. Technol., 4 (1993), S. 559-565, in Strahlen aus plasmagespritz­ ten Partikeln ausgeführt worden. Während die Partikelgröße und -geschwindigkeit aus einer Kombination eines Lasersichtungs­ systems mit einem Laserdopplergeschwindigkeits-Meßgerät erhal­ ten werden, während die Partikeltemperatur durch die zwei Far­ benpyrometrie ermittelt wird, verwendeten S.M. Guselnikov, A.G. Zavarzin, V.P. Lyagushkin, M. Mikhalchenko und O.P. Solonenko in Plasma Jets, Solonenko und Fedorchenko (EDS), VSP, 1990, S. 163-170, eine Kombination der Zwei-Brennpunkt-Anemometrie zur Geschwindigkeitsmessung, der Laservorwärtsstreutechnik zur Grö­ ßenmessung und der Zweifarbenpyrometrie zur Temperaturmessung. In beiden Fällen ist der optische Aufbau relativ komplex und in einer industriellen Umgebung kaum brauchbar.

Ein anderer Ansatz ist durch J.R. Fincke, C.L. Jeffery und S.B. Englert in J. Phys. E: Sci. Instrum., 21 (1988) S. 367-370, beschrieben, bei welchem die Temperatur und der Durchmesser von gespritzen Partikeln unter Verwendung eines Laserstrahls gemes­ sen werden. Die Temperatur wird durch Verwenden der Zweifarben­ pyrometrie erhalten, während der Durchmesser aus der Intensität des gestreuten Strahls nach einer Entschachtelung berechnet wird, die die Gauss-Form des Laserstrahls in Betracht zieht.

Zwei Systeme sind vorgeschlagen worden, um die Partikelgröße, -geschwindigkeit und -temperatur auf der Grundlage der Ermitt­ lung der Wärmestrahlung zu messen, die durch die heißen weiß­ glühenden gespritzten Partikel emittiert wird, die durch ein Meßvolumen bekannter Abmessung hindurchtreten. In beiden Fällen wird die Temperatur durch die Zweifarbenpyrometrie ermittelt, und die Geschwindigkeit wird aus der Flugzeit der Partikel in dem Meßvolumen berechnet.

Bei dem durch T. Sakuta, T. Ohtsuchi, K. Sakai und T. Takashima, Proc. Jpn. Symp. Plasma Chem. 4 (1991), S. 175-180, entwickelten Ansatz wird der Durchmesser aus der Anstiegzeit der ermittelten Signale erhalten, wenn die Partikel in das Meß­ volumen eintreten und dieses verlassen.

Bei dem durch K.R. Hencken, D.A. Tichenor und J.C.F. Wang (US- A-4 441 816) entwickelten Ansatz werden Partikel durch eine Doppelschlitzmaske beobachtet. Der erste Schlitz ist derart schmal, daß lediglich ein Teil des Querschnitts des sich bewe­ genden Partikels durch die Detektoren beobachtet wird. Der zweite Schlitz ist größer als das Partikelbild, so daß der gesamte Querschnitt des Partikels beobachtet wird. Die Geschwindigkeit wird aus der Durchgangszeit der Partikel in diesem zweiten Schlitz erhalten, während der Durchmesser aus dem Verhältnis der Strahlungsintensitäten ermittelt wird, die in jedem Schlitz gemessen bzw. erfaßt werden. Da der erste Schlitz schmaler sein muß als das Bild des kleinsten zu analy­ sierenden Partikels, wird die Durchgangszeit in diesem Schlitz sehr kurz, wenn die Partikel sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, die sehr schnelle Photodetektoren und elektronische Erfassungsbauteile erfordert. In beiden Ansätzen muß der Laser­ strahl auf das Zentrum des Meßvolumens fokussiert werden, um die Erfassungselektronik nur dann auszulösen, wenn ein Partikel in der Brennebene der Erfassungsoptik sich bewegt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Partikeln im Fluge zu schaffen, das die vorstehend angeführten Probleme überwindet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Über­ wachen von Partikeln im Fluge bereitgestellt, aufweisend die Schritte: Anordnen einer Maske in einer Ebene im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Partikel, wobei die Maske wenigstens zwei Schlitze festlegt, die im wesentlichen parallel verlaufen und in einer Richtung liegen, die wenigstens eine Komponente rechtwinklig zu der Partikelbewegungsrichtung auf­ weist, und wobei die Enden der Schlitze seitlich relativ zuein­ ander in dieser Ebene versetzt sind, Überwachen der Strahlung, die durch die Partikel emittiert, gestreut oder absorbiert wird, wenn sie diese Schlitze durchsetzen, Identifizieren von Partikeln, für welche die Strahlung, die an jedem Schlitz emit­ tiert, gestreut oder absorbiert wird, wenn die Partikel nach­ einander durch die Schlitze hindurchtreten, eine vorbestimmte Beziehung aufweist, und Ermitteln der Größe der identifizierten Partikel aus der emittierten, gestreuten oder absorbierten Strahlungsmenge, wenn sie durch die Schlitze hindurchtreten.

Normalerweise haben die Schlitze gleiche Breite und unter­ schiedliche Längen, wodurch gleiche Strahlungsmengen gestreut, absorbiert oder emittiert werden, wenn ein vollständiges Parti­ kel beide Schlitze durchquert, und die Größe der Partikel wird ermittelt, wenn diese gleichen Mengen ermittelt werden. In der Theorie können die Schlitze jedoch solange ungleiche Breiten haben, wie die Beziehung zwischen ihnen bekannt ist, und dies bei den Berechnungen in Betracht gezogen wurde. Sie können auch gleiche Längen haben, solange ihre Enden versetzt sind.

Die Strahlung liegt normalerweise im nahen Infrarot, obwohl andere Wellenlängen verwendet werden können.

Unter Verwendung der optischen Ermittlungstechnik zum Messen der Temperatur und Geschwindigkeit von Partikeln im Fluge, die in der US-A-5 180 921 beschrieben ist, kann die Partikel­ geschwindigkeit aus der Flugzeit der Partikel von dem Beobach­ tungsfeld des ersten Schlitzes zu dem Beobachtungsfeld des zweiten Schlitzes berechnet werden. Die Temperatur kann unter Verwendung der Zweifarbenpyrometrie-Technik gemessen werden. Bei dieser Technik wird die Temperatur eines strahlenden Objekts nach einer Eichung aus dem Verhältnis der Lichtintensi­ tät erhalten, die bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermittelt wird.

Die vorliegende Erfindung beschreibt demnach eine Technik zum Messen von nicht nur der Temperatur und der Geschwindigkeit von Partikeln im Fluge, sondern auch ihres Durchmessers, insbeson­ dere bei thermischen Spritzprozessen und anderen industriellen Anwendungen. Die Durchmessermessung wird unter Verwendung einer modifizierten Zwei-Schlitzmaske ausgeführt, deren Geometrie die Lokalisierung des Partikels im Sichtfeld der Erfassungsoptik erlaubt. Da das Partikel vollständig im Meßvolumen enthalten ist, kann sein Durchmesser nach einer Eichung aus der absoluten Intensität der Wärmestrahlung ermittelt werden, die durch die Erfassungsoptik erfaßt wird. Für jedes analysierte Partikel werden damit seine Temperatur, Geschwindigkeit und Durchmesser gleichzeitig gemessen. Eine Information über den Zustand der Spritzprozesse wird durch eine On-Line-Analyse einer repräsen­ tativen Probe einzelner Partikel erhalten.

Für Partikel bei niedriger Temperatur oder in stark strahlenden Umgebungen kann die Wärmestrahlung von den Partikeln nicht intensiv genug sein, um eine Ermittlung und Analyse der Parti­ kel zu erlauben. In diesem Fall kann eine Lichtquelle verwendet werden, um die Partikel zu beleuchten, und die durch die Parti­ kel gestreute Strahlung wird erfaßt. Aus der Analyse der ermit­ telten Signale werden der Durchmesser und die Geschwindigkeit der Partikel gemessen.

Die vorliegende Erfindung stellt demnach ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen überwachen der Temperatur, der Geschwindigkeit und des Durchmessers der gespritzen Partikel durch Ermitteln der Wärmestrahlung bereit, die durch heiße Par­ tikel im Fluge emittiert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Überwachungs­ system aus einem Sensorkopf, der in der Nähe des Brenners ange­ ordnet ist, einer optischen Faser und einem Ermittlungsgehäuse, das die Photodetektoren enthält. Eine optische Zwei-Schlitz­ maske ist am Vorderende der optischen Faser angeordnet, die in dem Sensorkopf angeordnet ist. Lediglich das auf die zwei lichtdurchlässigen Schlitze auftreffende Licht, die in die lichtundurchlässige Maske eingraviert sind, erreicht die opti­ sche Faser und wird dadurch zum Ermittlungsgehäuse übertragen.

Die Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zum Überwachen von Partikeln im Fluge bereit, aufweisend: eine Maske zur Anordnung in einer Ebene im wesentlichen parallel zur Bewe­ gungsrichtung der zu überwachenden Partikel, wobei die Maske wenigstens zwei Schlitze festlegt, die im wesentlichen parallel verlaufen, unterschiedlich lang sind und in einer Richtung lie­ gen, die wenigstens eine Komponente rechtwinklig zu der Parti­ kelbewegungsrichtung aufweist, und wobei die Enden der Schlitze seitlich relativ zueinander in dieser Ebene versetzt sind, eine Detektoreinrichtung zum überwachen der durch die Partikel emit­ tierten, gestreuten oder absorbierten Strahlung, wenn diese durch die Schlitze hindurchtreten, eine Einrichtung zum Identi­ fizieren von Partikeln, die, wenn sie jeden Schlitz durchset­ zen, Strahlung in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Beziehung emittieren, streuen oder absorbieren, und eine Verar­ beitungseinrichtung zum Berechnen der Größe der identifizierten Partikel aus der Menge der Strahlung, die durch die Partikel emittiert, gestreut oder absorbiert wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht von Einzelheiten des Sensor­ kopfs der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Übersichtsdarstellung der gesamten Vorrichtung,

Fig. 3 eine detaillierte Ansicht der Schlitze, und

Fig. 4 eine Kurvendarstellung von von den Photodetektoren aus­ gegebenen Signalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf eine Vorrichtung zum Messen der Größe, Temperatur und Geschwindigkeiten von Par­ tikeln erläutert, die aus einer Plasma-Spritzkanone austreten.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Vorrichtung einen Sensorkopf 1 in der Form eines zylindrischen Gehäuses auf, das an einem Ende 2 für den Eintritt von Licht offen ist und eine Linse 3 ent­ hält, die ein Bild von einem Partikel 4 auf ein Ende 5 einer optischen Faser 6 fokussiert. Von dem Partikel wird angenommen, daß es entlang einer in der Papierebene liegenden Achse und rechtwinklig zur Längsachse des Sensorkopfs 1 sich bewegt.

Fig. 2 zeigt eine Plasmakanone 7, die Partikel entlang der z- Achse am Sensorkopf 1 vorbei richtet bzw. leitet.

Die optische Faser 6 führt zu einem Ermittlungsgehäuse 11, das eine Kollimierlinse 8 und einen dichroitischen Spiegel 9 ent­ hält, der das Licht in zwei Strahlen aufteilt, die durch Band­ paßfilter F₁, F₂ zu Detektoren D₁, D₂ gerichtet werden. Die Aus­ gangssignale von den Detektoren werden zu dem Computer 10 geschickt, der die Partikelgröße, -temperatur und -geschwindig­ keit berechnet.

Die gesammelte bzw. erfaßte Strahlung wird durch einen dichroi­ tischen Spiegel spektral aufgeteilt und daraufhin durch die zwei Bandpaßfilter F₁ und F₂ gefiltert. Die Wellenlängen werden selektiert, um den Einfluß der Plasmastrahlung zu minimieren, die durch die Partikel gestreut wird. Signale von beiden Detek­ toren werden verstärkt und einer Schnell-Digitalisierkarte im Computer 10 zugeführt. Die digitalisierten Signale werden durch einen Personal Computer analysiert, der die Temperatur, die Geschwindigkeit und den Durchmesser der Partikel im Fluge berechnet.

Wie in Fig. 3 im einzelnen gezeigt, weist das Ende 5 der opti­ schen Faser 6 im Sensorkopf 1 eine optische Maske 12 mit einem Paar von lichtdurchlässigen Schlitzen 13, 14 auf. Die Maske 13 ist demnach am Vorderende der optischen Faser des Sensorkopfs angeordnet. Wenn ein Partikel 4 sich durch das Meßvolumen bewegt, wird sein Bild zweimal durch die Detektoren gesehen bzw. beobachtet, wenn sein Bild sich von einem Schlitz zum andern bzw. zum zweiten Schlitz bewegt (Fig. 3). Die Breiten w₁ und w₂ der Schlitze betragen bevorzugt 25 µm. Ihre Längen S₁ und S₂ betragen bevorzugt 50 µm bzw. 100 µm. Der Abstand d zwi­ schen den Schlitzen beträgt bevorzugt 50 µm von Mitte zu Mitte. Die Verstärkung der Erfassungsoptik beträgt bevorzugt etwa 0,3. Das Bild eines 80 µm-Partikels hat damit einen Durchmesser von 24 µm in der Ebene der optischen Maske 12. Die Breite der Schlitze sollte größer sein als der Durchmesser des Bilds der größten zu überwachenden Partikel.

Die Differenz der Schlitzlängen (S₂-S₁) sollte bevorzugt den Durchmesser des Bilds der größten zu überwachenden Partikel übertreffen.

Wenn ein Partikel 4 sich durch das Sensorbeobachtungsfeld bewegt, wird sein Bild zweimal durch die Photodetektoren beob­ achtet, wenn es sich vom ersten Schlitz zum zweiten Schlitz bewegt. Dadurch erzeugt es einen Lichtimpuls mit zwei Maxima. Fig. 4 zeigt Beispiele von Signalen, die durch die Detektoren D₁ und D₂ erfaßt werden als Funktion der Zeit während des Vor­ beilaufs von wenigen Partikeln am Sensorbeobachtungsfeld. In Fig. 4 bewegen sich lediglich zwei Partikel (entsprechend den Maxima A und B) in der Nähe der Objektebene (der Ebene, konju­ giert zur Schlitzebene) des Sensorkopfs 1. Aufgrund der end­ lichen Tiefe des Beobachtungsfelds können tatsächlich nur sol­ che Partikel die charakteristischen Signale mit zwei Maxima erzeugen, die in der Nähe der Objektebene vorbeilaufen. Parti­ kel außerhalb dieser Ebene neigen dazu, breite, ineinander­ gehende Maxima, wie beispielsweise bei C zu erzeugen.

Wie in der US-A-5 180 921 erläutert, wird für ein Partikel, das sich innerhalb der Tiefe des Beobachtungsfelds der Erfassungs­ optik bewegt, wird seine Temperatur durch die Zweifarbenpyro­ metrie aus dem Verhältnis der Strahlungsintensitäten gemessen, die durch die zwei Photodetektoren erfaßt werden. Andererseits wird die Partikelgeschwindigkeit aus der Zeit berechnet, die zwischen den zwei Lichtimpulsen abläuft, die erfaßt werden, wenn das Partikelbild sich vom ersten Schlitz zum zweiten Schlitz bewegt. Wenn der Abstand zwischen den zwei Schlitzen und die Vergrößerung der Ermittlungsoptik bekannt sind, kann die Partikelgeschwindigkeit entsprechend berechnet werden.

Die offenbarte erfindungsgemäße Partikeldurchmessermessung basiert auf der absoluten Strahlungsintensität, die bei einer Wellenlänge (unter Verwendung des Detektors D₁ oder D₂) ermit­ telt wird. Die Oberfläche des Partikels und dadurch sein Durch­ messer kann nach einer Eichung aus der erfaßten Strahlungs­ intensität ermittelt werden, wenn die Partikeltemperatur bekannt ist. In der Tat ergibt sich aus dem Planck′schen Gesetz die Strahlungsenergie P(λ, T), die von der Oberfläche S bei einer Wellenlänge λ emittiert wird, wie folgt:

wobei d(λ) der auf λ zentrierte Ermittlungswellenlängenbereich ist, wobei c₁ und c₂ universale Strahlungskonstanten sind, wobei ε das Emissionsvermögen ist, und wobei T die Temperatur des strahlenden Körpers ist. Das bei der Wellenlänge λ ermit­ telte Signal kann dadurch wie folgt dargestellt werden:

U(λ) = KP(λ,T)d(λ) = CSεf(T) (2)

wobei K und C Konstanten sind, die vom Ermittlungssystem abhän­ gen, und wobei f(T) eine bekannte Temperaturfunktion ist. Aus dem mit einem Detektor ermittelten Signal kann damit die Ober­ fläche des strahlenden Partikels gemessen werden, wenn es voll­ ständig im Sensorbeobachtungsfeld enthalten ist.

Der spezielle Aufbau der erfindungsgemäßen optischen Maske stellt ein einfaches und wirksames Mittel dar, zum Ermitteln, ob das Partikel vollständig im Sensorbeobachtungsfeld enthalten ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht die Maske aus zwei Schlit­ zen 13, 14 unterschiedlicher Längen. Die Längendifferenz (S₂- S₁) sollte in derselben Größenordnung sein wie der Durchmesser des Bilds von den größten zu überwachenden Partikeln. Diese Differenz kann größer sein, um eine beliebige Abweichung der Flugkurven der sich bewegenden Partikel im Umfeld des Sensor­ beobachtungsfelds in Betracht zu ziehen. Wenn auf diese Weise die durch den ersten Strahlungsschlitz ermittelte Strahlungsin­ tensität gleich derjenigen ist, die durch den zweiten Schlitz ermittelt wird, folgt, daß das gesamte Bild des Partikels durch jeden Schlitz hindurchgetreten ist. Dadurch können seine Ober­ fläche und sein Durchmesser aus der Intensität der erfaßten Strahlung berechnet werden.

Wenn die Schlitzlängen gleich sind, kann derselbe Teil des Bilds durch beide Schlitze beobachtet werden, und es besteht keine Gewähr, daß es in jedem von ihnen vollständig enthalten ist.

Wie in Fig. 4 gezeigt, haben zwei Partikel das Sensorbeobach­ tungsfeld in der Nähe der Objektebene gekreuzt. Das erste Par­ tikel A, das nach 23 µs ermittelt wurde, erzeugte einen Impuls mit zwei Maxima, für welchen die Intensität jedes Bestandteils innerhalb weniger Prozent gleich ist. Dies zeigt an, daß das Partikelbild vollständig im Schlitzbereich während seines Hin­ durchlaufs enthalten ist. Für dieses Partikel kann der Computer 10 demnach seine Temperatur, seine Geschwindigkeit und seinen Durchmesser berechnen. Das zweite Partikel B, das nach etwa 30 µs ermittelt wurde, wurde durch den Sensorkopf nicht vollstän­ dig beobachtet, da die Intensität des zweiten Maximums signifi­ kant höher als das erste ist.

Gemäß Gleichung 2 muß das Emissionsvermögen der Partikel in Betracht gezogen werden, um die Partikelgröße aus der Intensi­ tät der erfaßten Signale zu ermitteln. Das Emissionsvermögen bei hoher Temperatur von vielen Materialien, die in thermischen Spritzprozessen verwendet werden, ist nicht bekannt. In diesem Fall muß der gemessene Durchmesser als Relativwert in Betracht gezogen werden. Diese Information ist außerdem sehr hilfreich, um den Einfluß der Partikelgröße auf die Temperatur, die Geschwindigkeit und die Flugbahn (Sichtungswirkung) der gespritzten Partikel zu ermitteln. Wenn das Emissionsvermögen nicht bekannt ist, kann eine Absolutmessung der Partikelgröße nach einer Eichung unter Verwendung von Partikeln bekannter Abmessungen ausgeführt werden.

Die Technik kann auch für Partikel bei niedriger Temperatur verwendet werden. In diesem Fall ist die Wärmestrahlung nicht intensiv genug, um ermittelt zu werden, und die sich im Flug befindlichen Partikel müssen mit einer intensiven Lichtquelle beleuchtet werden. In diesem Fall wird die durch die Partikel gestreute Strahlung ermittelt. Die Intensität des Lichtstrahls muß über das Meßvolumen des Sensorkopfs (bei der bevorzugten Ausführungsform etwa 350 µm × 350 µm × 3000 µm) relativ gleich­ mäßig sein. Für jedes ermittelte Partikel, das durch den cha­ rakteristischen Impuls mit zwei Maxima identifiziert ist, wobei die Intensitäten der zweiten Maxima gleich sind, können der relative Durchmesser und die Geschwindigkeit gemessen werden. Die Durchmessermessung ist möglich, weil die Intensität der Streustrahlung proportional zum Querschnitt der Partikel ist. Bei dieser Konfiguration ist lediglich ein einziger Detektor, der für die Wellenlänge der Lichtquelle empfindlich ist, erfor­ derlich, um die Durchmesser- und Geschwindigkeitsmessung durch­ zuführen.

Der Hauptvorteil der offenbarten erfindungsgemäßen Technik zum Überwachen von thermisch gespritzten Partikeln gegenüber den vorstehend erläuterten bisherigen Techniken besteht darin, daß sie einfacher ist, da sie keinerlei intensive Lichtquellen oder einen zweiten Ermittlungsaufbau erfordert. Dies führt zu einem kompakteren, unempfindlichen und leicht zu benutzenden Sensor, der keinen speziellen Augenschutz erfordert. Das System erfor­ dert lediglich zwei Photodetektoren für die Temperatur-, Geschwindigkeits- und Durchmessermessungen und vermeidet die Verwendung von elektronischen Koinzidenzvorrichtungen und die empfindliche Einstellung eines zweiten Ermittlungsaufbaus oder eines Lichtstrahls in dem Partikelstrahl.

Wie vorstehend erläutert sind zwei Systeme auf der Grundlage der Ermittlung von thermischer Strahlung, die durch heiße Par­ tikel emittiert werden, bereits entwickelt worden (Proc. Jpn. Symp. Plasma Chem. 4 (1991), S. 175-180, und US-A-4 441 816). Beide Systeme erfordern die Verwendung eines Laserstrahls zum Lokalisieren des Partikels im Meßvolumen. Der in diesem Patent erläuterte Ansatz basiert auf der Verwendung einer Maske mit zwei Schlitzen unterschiedlicher Breite. Die Breite des ersten Schlitzes muß enger bzw. schmaler sein als der Bilddurchmesser der kleinsten Partikel. Bei thermischen Spritzanwendungen liegt ein typischer Partikelgrößenbereich zwischen 10 und 80 µm. Die Größe des ersten Schlitzes muß damit kleiner als 3 µm sein, wenn eine optische Verstärkung von 0,3 verwendet wird. Da die Partikelgeschwindigkeit in thermischen Spritzprozessen 500 m/s und mehr erreichen kann, beträgt die Durchlaufzeit eines Parti­ kels im Beobachtungsfeld des ersten Schlitzes etwa 20 ns. Damit müssen die Detektoren und die Erfassungselektronik sehr schnell arbeiten können, um derart kurz dauernde Signale verarbeiten zu können. Die Breite der bei der vorliegenden Erfindung erforder­ lichen Schlitze beträgt etwa 25 µm entsprechend Durchlaufzei­ ten, die um eine Größenordnung größer sind, wodurch es möglich wird, weniger schnelle optische und elektronische Bauteile zu verwenden. Die Rauschpegel und die Kosten für derartige Bau­ teile sind geringer.

Während die Schlitze S₁ und S₂ als dieselben Breiten und unter­ schiedliche Längen aufweisend erläutert wurden, ist es möglich, obwohl nicht bevorzugt, die Erfindung mit Schlitzen derselben Länge und unterschiedlichen Breiten zu praktizieren.

Wenn die Breiten unterschiedlich sind, haben die Maxima nicht dieselbe Dauer, wenn ein gesamtes Partikel durch beide Schlitze beobachtet wird. Die Maxima weisen jedoch weiterhin eine vorbe­ stimmte Beziehung zueinander auf, die von der Differenz der Breiten abhängt. Der Computer kann lediglich auf Signale emp­ findlich gemacht werden, die mit dieser Beziehung übereinstim­ men.

In ähnlicher Weise können die Längen gleich lang gemacht wer­ den, solange die Schlitze in überlappender Beziehung angeordnet werden. Wenn beispielsweise das rechte Ende des Schlitzes S₁ nach rechts zum rechten Ende des Schlitzes S₂ in Fig. 3 verlän­ gert wird, durchläuft ein Partikel, das sich teilweise über das Ende des Schlitzes S₂ bewegt, weiterhin die Gesamtheit des Endes des Schlitzes S₁, wodurch eine Signaldifferenz veranlaßt wird.

Claims (22)

1. Verfahren zum überwachen von Partikeln im Fluge, aufwei­ send die Schritte:

• a) Anordnen einer Maske in einer Ebene im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Partikel, wobei die Maske wenigstens zwei Schlitze festlegt, die im wesentlichen parallel verlaufen und in einer Richtung liegen, die wenigstens eine Komponente rechtwinklig zu der Partikelbewegungsrichtung aufweist, und wobei die Enden der Schlitze seitlich relativ zueinander in dieser Ebene versetzt sind,
• b) Überwachen der Strahlung, die durch die Partikel emittiert, gestreut oder absorbiert werden, wenn sie diese Schlitze durchsetzen,
• c) Identifizieren bestimmter Partikel, die vollständig durch beide Schlitze hindurchtreten, indem diejenigen Partikel identifiziert werden, für welche die rela­ tive Strahlungsmenge, die an jedem Schlitz emittiert, gestreut oder absorbiert wird, wenn die Partikel nacheinander durch die Schlitze hindurchtreten, eine vorbestimmte Beziehung abhängig von der relativen Breite der Schlitze aufweist, und
• d) Ermitteln der Größe der bestimmten Partikel aus der emittierten, gestreuten oder absorbierten Strahlungs­ menge, wenn sie durch die Schlitze hindurchtreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze die gleiche Breite und unterschiedliche Längen aufweisen, und die vorbestimmte Beziehung im wesentlichen die Gleichheit ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierte, gestreute oder absorbierte Strahlung konti­ nuierlich überwacht wird, und die Größe der Partikel aus der emittierten, gestreuten oder absorbierten Strahlung ermittelt wird, wenn mehrere eng benachbarte Maxima ent­ sprechend der Anzahl der Schlitze und von ungefähr dersel­ ben Höhe beobachtet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Schlitze, wobei ein Schlitz kürzer als der andere ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bild der Schlitze auf der Maske gebildet ist, und wobei die Differenz der Längen der Schlitze den Durchmesser des Bilds der größten zu messenden Partikel übertrifft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske an dem Ende einer optischen Faser angeordnet ist, die zu wenigstens einem Photodetek­ tor führt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikeldurchmesser aus der ermittelten Strahlung in Über­ einstimmung mit folgender Formel ermittelt wird: wobei d(λ) der auf λ zentrierte Ermittlungswellenlängen­ bereich ist, wobei c₁ und c₂ universale Strahlungskonstan­ ten sind, der Querschnitt des Partikels S, ε das Emis­ sionsvermögen und T die Temperatur der Partikel sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von den Partikeln bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung in zwei spektral getrennte Strahlen durch einen dichroitischen Spiegel aufgeteilt wird, der die Strahlung von der optischen Faser empfängt, und die Strahlen durch unterschiedliche Bandpaßfilter zu jeweiligen Photodetekto­ ren geleitet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch eine intensive Lichtquelle beleuchtet wer­ den und die Größe aus der Menge des gestreuten Lichts ermittelt wird.

11. Vorrichtung zum Überwachen von Partikeln im Fluge, aufwei­ send:

• a) eine Maske zur Anordnung in einer Ebene im wesent­ lichen parallel zur Bewegungsrichtung der zu über­ wachenden Partikel, wobei die Maske wenigstens zwei Schlitze festlegt, die im wesentlichen parallel ver­ laufen, unterschiedlich lang sind und in einer Rich­ tung liegen, die wenigstens eine Komponente recht­ winklig zu der Partikelbewegungsrichtung aufweist, und wobei die Enden der Schlitze seitlich relativ zueinander in dieser Ebene versetzt sind,
• b) eine Detektoreinrichtung zum Überwachen der durch die Partikel emittierten, gestreuten oder absorbierten Strahlung, wenn diese durch die Schlitze hindurch­ treten,
• c) eine Einrichtung zum Identifizieren bestimmter Partikel, die, wenn sie jeden Schlitz durchsetzen, Strahlung in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Beziehung emittieren, streuen oder absorbieren, und
• d) eine Verarbeitungseinrichtung zum Berechnen der Größe der identifizierten Partikel aus der Menge der Strah­ lung, die durch die Partikel emittiert, gestreut oder absorbiert wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze eine unterschiedliche Länge aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze dieselbe Breite aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzere Schlitz in Bezug auf den längeren Schlitz sym­ metrisch angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekenn­ zeichnet durch eine Linse zum Fokussieren eines Bilds von den Partikeln auf die Schlitze.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Längendifferenz der Schlitze größer oder gleich dem Durchmesser der größten zu überwachenden Partikel ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoreinrichtung zwei Detektoren zum über­ wachen unterschiedlicher Wellenlängen aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen dichroitischen Spiegel zum getrennten Richten von Strah­ lung von den Schlitzen auf jeweilige Photodetektoren.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierungseinrichtung die durch die Partikel emittierte, gestreute oder absorbierte Strahlung überwacht und Partikel identifiziert, für welche die Strahlungs- bzw. Intensitätsmenge dieselbe ist, wenn sie benachbarte Schlitze durchsetzen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske am Ende einer optischen Faser angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung außerdem die Temperatur der Partikel aus der durch sie emittierten Strahlung ermit­ telt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung die Geschwindigkeit der Par­ tikel aus der Laufzeit zwischen zwei benachbarten Schlit­ zen berechnet.