DE19752033A1

DE19752033A1 - Particle counter to detect presence of particles in gases and fluids

Info

Publication number: DE19752033A1
Application number: DE1997152033
Authority: DE
Inventors: Andreas Trampe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-24
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 1999-06-10

Abstract

A particle counter detects particles in gases and fluids and comprises a light source with an optical system directing a beam at the particles as these pass by in a flowing medium. The counter has a volume-defined measuring cell and an optical system which detects the light scattered by the particles in the measuring volume. The detector also has a detection system which converts the optical signals into electrical signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln mit den Merkmalen des Hauptanspruches.The present invention relates to a device for Detection of particles with the features of the main claim.

Partikelzählgeräte werden in den verschiedensten Bereichen der Technik eingesetzt. Diese Geräte dienen zur Zählung und Größenbestimmung von Partikeln. Das Prinzip der Geräte beruht auf der Messung der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit den Partikeln. Liegt die Wellenlänge der Strahlung in dem sichtbaren Bereich des Spektrums, nennt man den Effekt Lichtstreuung. Das Fluid, in dem sich die Partikel befinden, wird mittels einer entsprechenden Strahlenquelle bestrahlt.Particle counters are used in a wide variety of areas Technology used. These devices are used for counting and Particle size determination. The principle of the devices is based on measuring the interaction of electromagnetic Radiation with the particles. Is the wavelength of the Radiation in the visible region of the spectrum is called the effect of light scattering. The fluid in which the particles are are located using an appropriate radiation source irradiated.

Im Falle von Lichtquellen werden LED's, Laser, Laserdioden, aber auch intensitätsstarke Weißlichtquellen wie Xenon- oder Quecksilberdampflampen verwendet. Wichtige Voraussetzung ist, daß der bestrahlte Bereich -Meßvolumen- durch geeignete Maßnahmen eine definierte Größe erhält.In the case of light sources, LEDs, lasers, laser diodes, but also high-intensity white light sources such as xenon or Mercury vapor lamps used. An important requirement is that the irradiated area -measuring volume- by suitable Measures receives a defined size.

Zu den letztgenannten Maßnahmen gehören die optische Abgrenzung zum Beispiel durch Blenden im Strahlengang der Beleuchtung und der Detektion, aber auch die aerodynamische Begrenzung durch eine einschnürende Düse, durch die das Fluid geleitet wird.The latter measures include visual delimitation for example by blinds in the beam path of the lighting and detection, but also the aerodynamic limitation a constricting nozzle through which the fluid is directed.

In dem abgegrenzten Meßvolumen muß eine möglichst große Menge der Lichtleistung der Quelle konzentriert werden, da das Ausgangssignal direkt proportional zur Lichtintensität im Meßvolumen ist. Diese Konzentration wird durch bündelnde Linsen bzw. verkleinernde optische Abbildungen erreicht.The largest possible quantity must be in the defined measuring volume the light output of the source, because that Output signal directly proportional to the light intensity in the Measuring volume is. This concentration is brought about by focusing lenses or reducing optical images achieved.

Die Detektion erfolgt durch die Messung des von den Partikeln gestreuten bzw. geschwächten Lichtes der Lichtquelle. Für ein starkes Meßsignal ist möglichst viel des gestreuten bzw. geschwächten Lichtes zu erfassen. Dieses wird im Stand der Technik dadurch erreicht, daß mittels Systemen aus optisch abbildenden Elementen das aus dem Meßvolumen austretende Licht auf einen oder mehrere Photodetektoren abgebildet wird.The detection is carried out by measuring the of the particles scattered or weakened light from the light source. For a strong measurement signal is as much of the scattered or to detect weakened light. This is in the state of the Technology achieved by means of optical systems imaging elements the light emerging from the measuring volume is imaged on one or more photodetectors.

Das Prinzip dieser Messung erlaubt eine Untersuchung des Fluids, ohne es zu beeinflussen. Daher ermöglicht diese rückwirkungsfreie Messung den Einsatz der Geräte in vielen Produktionseinrichtungen. Beispiele für die genannten Einrichtungen sind unter anderem in DE 37 12 665, DE 42 15 908 und DE 36 41 716 gezeigt.The principle of this measurement allows an investigation of the Fluids without affecting it. Therefore, this enables non-reactive measurement the use of the devices in many Production facilities. Examples of the above Facilities are, inter alia, in DE 37 12 665, DE 42 15 908 and DE 36 41 716 shown.

Disadvantages of the prior art

Die in den bekannten Partikelzählern verwendeten optischen Systeme zur Bildung des Meßvolumens, im folgenden Bestrahlungssysteme genannt, sind durch abbildende Bauteile wie Linsen und Spiegel verschiedenster Art realisiert. Das gleiche gilt für die optischen Systeme, im folgenden Detektionssysteme genannt, mit denen das gestreute bzw. geschwächte Licht detektiert wird.The optical used in the known particle counters Systems for forming the measurement volume, in the following Radiation systems are called by imaging components such as Various types of lenses and mirrors. The same applies to the optical systems, in the following detection systems called with which the scattered or weakened light is detected.

Abbildende Systeme wandeln ein von einem Objektpunkt ausgehendes homozentrisches Strahlenbündel in ein anderes homozentrisches Bündel um, dessen Zentrum der Bildpunkt ist. Objektpunkte sind in diesem Fall beispielsweise die Partikel im Meßvolumen, deren Bild auf dem Photodetektor abgebildet wird.Imaging systems convert one from an object point outgoing homocentric beam into another homocentric bundle, the center of which is the pixel. In this case, object points are, for example, the particles in the Measuring volume, the image of which is imaged on the photodetector.

Diese abbildenden Systeme besitzen jedoch nur eine endliche Tiefenschärfe. Das heißt, sollte sich ein Objekt nicht genau in der Brennebene der Optik befinden, wird sein Bild auch nicht exakt in der Bildebene wiedergegeben, und die Abbildung erscheint unscharf. Für die Partikelzählgeräte bedeutet dies, daß das Signal (Intensität des Lichtes auf dem Photodetektor) von dem Ort des Partikels im Meßvolumen abhängt. Deshalb erzeugen identische Partikel je nach ihrem relativen Abstand zur Brennebene der Detektion unterschiedlich große Signale, was zur Bestimmung einer falschen Größe führt. However, these imaging systems have only a finite one Depth of field. That said, an object shouldn't look exactly in the focal plane of the optics, his image will not reproduced exactly in the image plane, and the illustration appears out of focus. For particle counters, this means that the signal (intensity of light on the photodetector) depends on the location of the particle in the measuring volume. Therefore generate identical particles depending on their relative distance signals of different sizes to the focal plane of the detection, what leads to the determination of an incorrect size.

Zur Verdeutlichung wird auf das in Fig. 1 gezeigte Schema verwiesen. In der Fig. 1 ist eine Anordnung mit abbildender Optik nach dem Stand der Technik gezeigt. Das Partikel 71 wird durch das Fluid durch das Meßvolumen bewegt. Die Bahn des Partikels 71 liegt in der Brennebene der Optik 51 und 52 und wird somit scharf auf dem Detektor 6 abgebildet. Ein identisches Partikel 72, dessen Bahnkurve außerhalb der Brennebene der Optik 51 und 52 liegt, wird entsprechend den Abbildungsgesetzen nicht in die Detektorebene abgebildet. Die Gesamtleistung des auf den Detektor 6 fallenden Lichtes von dem Partikel 72 ist somit kleiner als im Fall des Partikels 71. Die Signale identischer Partikel unterscheiden sich also auf Grund ihres aktuellen Ortes im Meßvolumen. Dieser Effekt wird als Ortsabhängigkeit bezeichnet. Insbesondere bei Partikelzählgeräten mit Meßvolumen, deren Querschnittsflächen eine Kantenlänge im Bereich von Millimetern besitzen, macht sich dieser Effekt sehr stark bemerkbar.For clarification, reference is made to the diagram shown in FIG. 1. In Fig. 1 an arrangement is shown with an imaging optical system according to the prior art. The particle 71 is moved through the measurement volume by the fluid. The path of the particle 71 lies in the focal plane of the optics 51 and 52 and is thus imaged sharply on the detector 6 . An identical particle 72 , whose trajectory lies outside the focal plane of the optics 51 and 52 , is not imaged in the detector plane in accordance with the imaging laws. The total power of the light falling on the detector 6 from the particle 72 is thus smaller than in the case of the particle 71. The signals of identical particles therefore differ in the measurement volume due to their current location. This effect is called location dependency. This effect is particularly noticeable in particle counters with measuring volumes, whose cross-sectional areas have an edge length in the range of millimeters.

Ein weiterer Nachteil der konventionellen, abbildenden Komponenten ist der daraus resultierende mechanische Aufwand zur Fassung der Bauteile und die damit verbundenen Kosten. Ein vollständiges optisches Bestrahlungs- bzw. Detektionssystem besteht aus mehreren einzelnen Linsen und Spiegeln etc., die alle in einem exakten Abstand zueinander gehalten werden müssen. Die Herstellung der Fassungen ist relativ aufwendig, da sie präzise und für die Materialpaarung Glas - Metall geeignet sein müssen. Die Komponenten müssen in der Regel alle manuell eingebaut und justiert werden, was eine preisgünstige, automatisierte Großserienfertigung unmöglich macht.Another disadvantage of conventional, imaging Components is the resulting mechanical effort to frame the components and the associated costs. A complete optical radiation or detection system consists of several individual lenses and mirrors etc. that are all kept at an exact distance from each other have to. The production of the frames is relatively complex because they are precise and suitable for the material combination of glass and metal have to be. The components usually all have to be manual installed and adjusted, which is an inexpensive, automated mass production makes it impossible.

Die Aufgabe der Erfindung bestand nun darin, ein preisgünstiges und einfach herzustellendes Abbildungssystem bereitzustellen, das auf zuverlässige Weise die Detektion der Partikel ermöglicht. Seitens der Erfinder wurde nun überraschenderweise gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, in dem man ein Abbildungssystem bereitstellt, bei dem man auf abbildende optische Systeme verzichtet. The object of the invention was now an inexpensive and easy to manufacture imaging system, the reliable detection of the particles enables. On the part of the inventor, surprisingly found that this task can be solved by one Imaging system that provides imaging no optical systems.

Die Erfindung ist daher gerichtet auf eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Seitens des Erfinders wurde gefunden, daß eine optische Abbildung im Sinne der geometrischen Optik für das Bestrahlungssystem und das Detektionssystem nicht notwendig ist. Eine Vorrichtung zur Leitung des Lichtes ist in beiden Fällen besser zur Erfüllung der Funktion geeignet.The invention is therefore directed to a device with the Features of the main claim. On the part of the inventor found that an optical image in the sense of geometric optics for the radiation system and that Detection system is not necessary. A device for Direction of light is better in both cases suitable for the function.

Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie das Licht durch eine Änderung des Brechungsindex im Material der Vorrichtung bzw. durch eine Änderung des Brechungsindexes an den Grenzschichten der Vorrichtung definiert leitet. Die einzelnen Lichtstrahlen werden durch die Änderung im Brechungsindex abgelenkt oder reflektiert. Diese Eigenschaften sind durch lichtleitende Fasern bekannt. Die Änderung des Brechungsindexes im Material wird durch Dotierung des Grundmaterials oder durch Ionenaustauschprozesse gezielt vorgenommen. Die Ablenkung der Lichtstrahlen kann somit durch die gezielte örtliche Änderung des Brechungsindex beeinflußt werden.This device is characterized in that it is the light by changing the refractive index in the material of the Device or by changing the refractive index conducts the boundary layers of the device in a defined manner. The individual rays of light are changed by the Refractive index deflected or reflected. These properties are known from light-conducting fibers. The change of Refractive index in the material is determined by doping the Target material or targeted by ion exchange processes performed. The deflection of the light rays can thus be caused by affects the targeted local change in the refractive index become.

Durch die Änderung des Brechungsindexes an den Grenzflächen der Struktur kommt es für Lichtstrahlen, die innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches auf die Grenzschicht auftreffen, zur Totalreflektion.By changing the refractive index at the interfaces of the It occurs for light rays within a structure certain angle range impinge on the boundary layer for Total reflection.

Bei lichtleitenden Fasern besteht die Aufgabe, das Licht vom Eintrittspunkt möglichst verlustarm zum Austrittspunkt zu übertragen. Aus diesem Grund liegen die Grenzflächen - hier der Fasermantel - einfach parallel zu einander. Bei den erfindungsgemäßen Strukturen besteht durch die Kontur, bzw. den Querschnitt der lichtleitenden Struktur u. a. die Möglichkeit, das Licht zu konzentrieren und die Intensitätsverteilung über den Querschnitt zu ändern. Durch eine Beschichtung der Grenzflächen läßt sich der Brechungsindex variieren, so daß Funktionen wie Spiegel oder Strahlteiler zu realisieren sind. With light-conducting fibers, the task is to remove the light from the Entry point to the exit point with as little loss as possible transfer. For this reason, the interfaces - here the Fiber sheath - simply parallel to each other. Both Structures according to the invention consist of the contour, or the Cross section of the light-conducting structure u. a. the possibility, to focus the light and over the intensity distribution to change the cross section. By coating the At interfaces, the refractive index can be varied so that Functions such as mirrors or beam splitters can be implemented.

Das Bestrahlungssystem muß je nach Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen das Licht auffangen und zu einem Strahl konzentrieren. Die Kontur der Eintrittsfläche, dies ist die Fläche, die zur Seite der Lichtquelle zeigt, muß so geformt sein, daß es an dieser Grenzschicht nicht zur Reflektionen kommt. Dies wird erfindungsgemäß so realisiert, daß die Fläche so gestaltet ist, daß der Winkel zwischen der Eintrittsfläche und den auftreffenden Lichtstrahlen kleiner als der Winkel für die Totalreflektion bleibt. Die eintretenden Lichtstrahlen werden konzentriert im Sinne einer Bündelung oder expandiert im Sinne einer Aufweitung durch eine Querschnittsänderung der Struktur. Damit lassen sich im Bestrahlungssystem für den austretenden Lichtstrahl definierte Abmessungen einstellen. Dies ist wichtig, um den Ausgangsstrahl auf das Meßvolumen anzupassen.The radiation system must, depending on the radiation characteristics of the Light sources catch the light and create a beam focus. The contour of the entry surface, this is the Surface facing the side of the light source must be shaped like this be that there is no reflection at this boundary layer is coming. This is realized according to the invention so that the area is designed so that the angle between the entry surface and the incident light rays smaller than the angle for the total reflection remains. The incoming rays of light are concentrated in the sense of bundling or expanding in In the sense of an expansion by changing the cross section of the Structure. It can be used in the radiation system for the Set defined dimensions for emerging light beam. This is important to get the output beam onto the measurement volume adapt.

Die Austrittsfläche, dies ist die Fläche, die zum Meßvolumen angrenzt, der Struktur wird erfindungsgemäß so geformt, daß der austretende Lichtstrahl eine minimale Konvergenz bzw. Divergenz auf zeigt. Erfindungsgemäß kann dies durch eine sphärische Krümmung der Austrittsfläche erreicht werden.The exit area, this is the area that corresponds to the measuring volume adjacent, the structure is shaped according to the invention so that the emerging light beam a minimal convergence or divergence on shows. According to the invention, this can be done by a spherical Curvature of the exit surface can be achieved.

In bezug auf das Detektionssystem ist folgendes festzuhalten. Im Fall der Detektion des Streulichtes können die Partikel als punktförmige Lichtquellen angenommen werden, d. h., ihre räumliche Ausdehnung kann vernachlässigt werden. Das Licht dieser Punktquellen soll aus einem möglichst großen Winkelbereich aufgefangen werden und auf eine möglichst kleine Detektorfläche geleitet werden. Auch hier muß die Eintrittskontur, dies ist in diesem Fall die Seite, die an das Meßvolumen grenzt, so geformt werden, daß es für Lichtstrahlen aus dem gewünschten Winkelbereich zu keiner Totalreflektion kommt.The following should be noted with regard to the detection system. In the case of detection of the scattered light, the particles can be used as point light sources are assumed, d. that is, theirs spatial expansion can be neglected. The light These point sources should be as large as possible Angular range should be caught and as small as possible Detector area are directed. Here, too Entry contour, in this case this is the side facing the Measuring volume limits, be shaped so that it is for light rays from the desired angular range to no total reflection is coming.

Bei dem Detektionssystem ist in der Regel ebenfalls eine Querschnittsänderung notwendig. Das aus einem großen Raumwinkelbereich erfaßte Licht wird erfindungsgemäß auf eine kleine Detektorfläche konzentriert. Zur Steigerung des Wirkungsgrads kann für die lichtleitende Struktur der Detektion auch ein mit Farbstoff dotiertes Material verwendet werden. Der Farbstoff wird auf die Wellenlänge der Lichtquelle so abgestimmt, daß die Farbstoffmoleküle zur Emission von Strahlung angeregt werden. Die emittierte Strahlung der Farbstoffmoleküle besitzt dabei eine andere Wellenlänge als die anregende Strahlung. Dadurch lassen sich erfindungsgemäß Rückstreuungen aus der Detektionsstruktur minimieren.There is usually also one in the detection system Cross-section change necessary. That from a big one According to the invention, solid angle range is measured on a small detector area concentrated. To increase the Efficiency can be used for the light-guiding structure of the detection a material doped with dye can also be used. Of the Dye is so on the wavelength of the light source voted that the dye molecules to emit Radiation can be excited. The radiation emitted by the Dye molecules have a different wavelength than that stimulating radiation. This allows the invention Minimize backscatter from the detection structure.

Durch die Verwendung von ausgewählten Verbindungstechniken (Kleber etc.) lassen sich vorteilhaft Lichtquellen und Detektoren mit den Strukturen direkt zu einer Baueinheit verbinden.Through the use of selected connection techniques (Glue etc.) can be advantageous light sources and Detectors with the structures directly to a structural unit connect.

Advantages of the invention

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die verbesserte Ortsunabhängigkeit der Detektion, d. h., die Unterschiede in den gemessenen Signalen von identischen Partikeln an unterschiedlichen Orten im Meßvolumen sind geringer. Das genannte Prinzip der Lichtleitung durch entsprechende Strukturen ist in der Lage, sogar diffuses Licht aufzufangen und zu konzentrieren (Strahlenbündelung). Bei größeren Meßvolumen (Abmessungen im Bereich einiger Millimeter) verringern sich die Unterschiede im Signal, wenn identische Partikel an verschiedenen Orten durch das Meßvolumen hindurch bewegt werden. Zum Beispiel halbiert sich der Unterschied in den Signalen durch die Ortsabhängigkeit bei einem Durchmesser des Meßvolumens von 6 mm.The main advantage of the device according to the invention is the improved location independence of the detection, d. i.e., the Differences in the measured signals from identical There are particles at different locations in the measuring volume less. The aforementioned principle of light conduction appropriate structures is able to even diffuse light to collect and concentrate (beam bundling). With larger measuring volumes (dimensions in the range of a few Millimeters), the differences in the signal decrease when identical particles at different locations due to the measuring volume be moved through. For example, the Difference in the signals due to the location dependency a diameter of the measuring volume of 6 mm.

Abhängig von der Geometrie bekannter Ausführungen von Partikelzählern wird eine Detektion von Einzelpartikeln insbesondere bei größeren Meßvolumen nicht mehr möglich. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strukturen sind Abmessungen der Kanten des Meßvolumens bis zu 100 mm technisch zu realisieren.Depending on the geometry of known designs from Particle counters are used to detect individual particles especially not possible with larger measuring volumes. With With the help of the structures according to the invention, dimensions of the Technically implement edges of the measuring volume up to 100 mm.

Durch die Übertragungseigenschaften des Lichtes in den Strukturen kommt es zu einer vorteilhaften Homogenisierung der Intensitätsverteilung. Bei dem Bestrahlungssystem führt dies zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung des Meßvolumen. Dies reduziert gegenüber konventionellen Systemen zusätzlich den Ortsfehler.Due to the transmission properties of light in the There is an advantageous homogenization of the structures Intensity distribution. This leads to the radiation system uniform illumination of the measuring volume. This reduces compared to conventional systems, the location error.

Mit Hilfe der lichtleitenden Strukturen lassen sich leichter wesentlich komplexere Anordnungen realisieren als mit konventioneller Optik. Dies ermöglicht überhaupt erst den wirtschaftlichen Aufbau von Meßanordnungen zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Diese Anordnungen sind beispielsweise in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Vorrichtung zur Detektion von Partikeln" des gleichen Erfinders/Anmelders dargestellt.With the help of the light-guiding structures, it is easier realize much more complex arrangements than with conventional optics. This enables the economic construction of measuring arrangements to improve the Signal-to-noise ratio. These orders are for example in the pending patent application the title "Device for Detecting Particles" by same inventor / applicant.

Ein weiterer Vorteil bei Verwendung der lichtleitenden Strukturen liegt darin, daß alle "Funktionen" wie Sammeln des Lichtes, Umlenken, Teilen, etc. durch ein Bauteil geleistet werden. Aufwendige mechanische Fassungen entfallen, und Justierungen sind überflüssig. Zusätzlich können Lichtquelle und Detektoren direkt mit der Struktur verbunden werden. Reflektionsverluste zwischen den Bauteilen lassen sich so auf ein Minimum reduzieren.Another advantage when using the light guiding Structures is that all "functions" like collecting the Light, deflection, dividing, etc. performed by one component become. Elaborate mechanical sockets are eliminated, and Adjustments are unnecessary. In addition, light source and detectors can be connected directly to the structure. Losses of reflection between the components can be so reduce a minimum.

In der Herstellung sind diese Strukturen und die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und preisgünstig. Die lichtleitenden Strukturen lassen sich in einem Arbeitsgang z. B. aus hoch transparentem Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) herstellen.These structures and the are in the production The device according to the invention is very simple and inexpensive. The light-guiding structures can be z. B. made of highly transparent polymethyl methacrylate (PMMA) or Manufacture polycarbonate (PC).

Die Summe der Vorteile macht die Anwendung von Partikelzählern als preiswerten Sensor in großen Stückzahlen erst möglich. Damit können Anwendungen (Raumklimaüberwachung, Brandentdeckung) erschlossen werden, die bisher aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich waren.The sum of the advantages makes the use of particle counters only possible as an inexpensive sensor in large quantities. Applications (indoor climate monitoring, Fire detection) can be opened up to date economic reasons were not possible.

Embodiments

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are in the drawings are shown and are described in more detail below.

Dabei zeigenShow

Fig. 1 eine Anordnung von bekannten Ausführungen von Partikelzählgeräten, und Fig. 1 shows an arrangement of known designs of particle counters, and

Fig. 2 eine Anordnung eines Ausführungsbeispiels für ein Partikelzählgerät mit den erfindungsgemäßen lichtleitenden Strukturen. Fig. 2 shows an arrangement of an embodiment for a particle counter with the light-guiding structures according to the invention.

In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, die eine Ausführung eines bekannten Partikelzählgerätes darstellt. Die divergenten Strahlen der Lichtquelle 1 werden dabei durch ein optisches System 2 kollimiert. Das Meßvolumen 3 wird aus dem Schnittvolumen des Lichtstrahls mit dem Strömungsmedium gebildet. Der Lichtstrahl wird in der Strahlfalle 4 absorbiert. Das Streulicht der Partikel im Meßvolumen wird durch das optische System, hier durch die Linsen 51 und 52 dargestellt, auf dem Detektor 6 abgebildet.In Fig. 1 an arrangement is shown, illustrating an embodiment of a known particle counter. The divergent rays of the light source 1 are collimated by an optical system 2 . The measurement volume 3 is formed from the intersection volume of the light beam with the flow medium. The light beam is absorbed in the beam trap 4 . The scattered light of the particles in the measurement volume is imaged on the detector 6 by the optical system, here represented by the lenses 51 and 52 .

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit lichtleitenden Strukturen. Die divergenten Strahlen einer oder mehrerer Lichtquellen 1 treten in den Lichtleiter 8 ein. Die Eintrittsfläche des Lichtleiters steht in der gezeigten Ausführungsform senkrecht zu den optischen Achsen der Lichtquellen. Durch Reflektionen an den Außenflächen in Richtung des Lichttransportes des Lichtleiters bzw. durch Brechungen im Material des Lichtleiters werden die Strahlen zu einem Bündel konzentriert. Das Strahlenbündel tritt aus und bildet einen Lichtstrahl. In einem Winkel von 90° wird das Strömungsmedium durch den Lichtstrahl geleitet. Das gemeinsame Volumen des Lichtstrahles mit dem Strömungsmedium bildet das Meßvolumen. Das Strahlenbündel endet in einer Strahlfalle 4. Das von den Partikeln 71 und 72 gestreute Licht wird von der lichtleitenden Struktur 9 aufgefangen und auf den Detektor 6 geleitet. Fig. 2 shows an embodiment of the device according to the invention with light-conducting structures. The divergent rays of one or more light sources 1 enter the light guide 8 . In the embodiment shown, the entrance surface of the light guide is perpendicular to the optical axes of the light sources. The rays are concentrated into a bundle by reflections on the outer surfaces in the direction of the light transport of the light guide or by refractions in the material of the light guide. The bundle of rays emerges and forms a beam of light. The flow medium is guided through the light beam at an angle of 90 °. The common volume of the light beam with the flow medium forms the measuring volume. The beam ends in a beam trap 4. The light scattered by the particles 71 and 72 is collected by the light-guiding structure 9 and directed onto the detector 6 .

Die lichtleitenden Strukturen können aus transparenten Kunststoffen oder Gläsern gefertigt werden. Die Transparenz bezieht sich auf den Wellenlängenbereich der Lichtquellen. Die Lichtleiter lassen sich durch alle bekannten formgebenden Verfahren herstellen. Vorzugsweise werden Spritzgiessen und Pressen angewendet, um die Vorteile der einfachen Großserienherstellung zu nutzen. Die Außenkonturen können sowohl ebene als auch gekrümmte Flächen sein. Die Form hängt von dem gewünschten Strahlengang im Lichtleiter ab. Die Außenflächen lassen sich durch verschiedene Materialien beschichten. Durch dielektrische und metallische Schichten wird der Winkelbereich größer, in dem es zur Totalreflektion kommt. Eine weitere denkbare Ausführungsform für die Lichtleiter sind hohle Anordnungen, deren Innenwände verspiegelt sind. Die Leitung des Lichtes erfolgt damit nach den gleichen Regeln wie bei den Strukturen aus Vollmaterial.The light-guiding structures can be made of transparent Plastics or glasses are made. The transparency refers to the wavelength range of the light sources. The Light guides can be formed by all known shapes Establish process. Injection molding and Presses applied to take advantage of simple To use large-scale production. The outer contours can be both flat and curved surfaces. The shape depends on the desired beam path in the light guide. The Outside surfaces can be created using different materials coat. Through dielectric and metallic layers the larger the angular range in which total reflection occurs. Another conceivable embodiment for the light guide are hollow arrangements, the inner walls of which are mirrored. The The light is guided according to the same rules as for structures made of solid material.

Die lichtleitende Struktur kann so gestaltet sein, daß sie zur Messung bei einem oder mehreren Meßvolumen geeignet ist. Dazu wird das Strahlenbündel in dem Lichtleiter durch teilreflektierende Schichten geteilt. Die Teilstrahlen treten dann an versetzten Stellen aus dem Lichtleiter aus. Es entstehen somit zwei oder mehrere Schnittvolumen mit dem Strömungsmedium. Die Größe der Meßvolumen hängt von der Querschnittsfläche des Lichtstrahls bzw. von der Querschnittsfläche des Strömungsmedium ab. Durch die Formgebung der lichtleitenden Struktur kann die Querschnittsfläche des austretenden Lichtstrahls und somit die Größe des Meßvolumens eingestellt werden.The light-guiding structure can be designed so that it is used for Measurement with one or more measuring volumes is suitable. To the beam is passed through the light guide partially reflective layers divided. The partial beams occur then at offset points from the light guide. It This creates two or more cutting volumes with the Flow medium. The size of the measuring volume depends on the Cross-sectional area of the light beam or from the Cross-sectional area of the flow medium. By the shape the light guiding structure can the cross sectional area of the emerging light beam and thus the size of the measuring volume can be set.

Als Lichtquellen können alle bekannten Lichtquellen genutzt werden. Das Prinzip der Erfindung ist unabhängig von der verwendeten Lichtquelle. Vorteilhaft ist die Verwendung von Lichtquellen auf Halbleiterbasis wie LED's und Laserdioden. Diese Lichtquellen sind klein und leistungsstark und lassen sich durch Verbindungstechniken wie kleben direkt mit der lichtleitenden Struktur verbinden. All known light sources can be used as light sources become. The principle of the invention is independent of the light source used. The use of is advantageous Semiconductor-based light sources such as LEDs and laser diodes. These light sources are small and powerful and leave through connection techniques such as sticking directly to the connect light-guiding structure.

Der austretende Lichtstrahl muß bei Streulichtmessungen hinter dem Meßvolumen enden und darf selbst kein Streulicht bilden. Der Strahl wird deshalb in eine Strahlfalle geleitet. Die Strahlfalle 4 in Fig. 2 wird vorteilhaft durch einen im Lichtleiter der Detektion mit Farbstoff dotierten Bereich realisiert. Das heißt, in dem Bereich in dem der Lichtstrahl auf den Lichtleiter der Detektion auftrifft, wird der Farbstoff in das Material der Lichtleiters eingebracht. Der Farbstoffist so zu wählen, daß er die Wellenlänge der Lichtquelle absorbiert. Die Strahlfalle selbst kann aber auch als eine lichtleitende Struktur ausgebildet sein. Der Lichtstrahl wird damit von dem Detektor weg geleitet.The emerging light beam must end behind the measuring volume for stray light measurements and must not itself form stray light. The beam is therefore directed into a beam trap. The beam trap 4 in FIG. 2 is advantageously realized by an area doped with dye in the light guide of the detection. That is, in the area in which the light beam strikes the light guide of the detection, the dye is introduced into the material of the light guide. The dye is to be selected so that it absorbs the wavelength of the light source. The beam trap itself can also be designed as a light-guiding structure. The light beam is thus directed away from the detector.

Die lichtleitende Struktur des Detektionssystems kann mit beliebigem Öffnungswinkel ausgeführt sein. Der Öffnungswinkel (Raumwinkel) ist nur begrenzt durch die Bereiche, in denen der Lichtstrahl und das Strömungsmedium durchtreten. Das eingekoppelte Licht wird durch die Form der Konturen konzentriert bzw. gebündelt und auf einen oder mehrere Detektoren geleitet. Wenn das Detektionssystem nur Teile des gesamten Raumwinkels erfaßt, kann es mehrfach ausgeführt sein. Dieses ist vorteilhaft für eine weitere Signalverarbeitung der Signale. Als Detektoren können alle photoempfindlichen Bauteile wie Photodioden, Photomultiplier, CCDs etc. verwendet werden. Idealerweise sollte der Detektor mit einem on-chip Verstärker direkt mit der lichtleitenden Struktur des Detektionssystems verbunden sein.The light-guiding structure of the detection system can with any opening angle. The opening angle (Solid angle) is only limited by the areas in which the Pass the light beam and the flow medium. The Coupled light is due to the shape of the contours concentrated or bundled and on one or more Detectors. If the detection system only parts of the entire solid angle, it can be carried out several times. This is advantageous for further signal processing Signals. All photosensitive components can be used as detectors such as photodiodes, photomultipliers, CCDs etc. can be used. Ideally, the detector should have an on-chip amplifier directly with the light-guiding structure of the detection system be connected.

Bestrahlungs- und Detektionssystem können als ein Teil ausgeführt sein. Das Strömungsmittel wird dann durch eine Öffnung der Struktur geleitet. Damit erhält man einen Partikelzähler, dessen wesentlicher Aufbau sich auf ein Bauteil reduziert. Irradiation and detection system can be part be executed. The fluid is then through a Headed opening of the structure. So you get one Particle counter, the main structure of which is based on a component reduced.

Reference list

11

Lichtquelle
Light source

22nd

optisches System zur Kollimierung des Lichtstrahles der Lichtquelle
optical system for collimating the light beam of the light source

33rd

Meßvolumen
Measuring volume

44th

Strahlfalle
Beam trap

5151

abbildende Linse der Detektion, dem Meßvolumen zugewandt
imaging lens of the detection, facing the measurement volume

5252

abbildende Linse der Detektion, dem Detektor zugewandt
imaging lens of the detection, facing the detector

66

Photodetektor
Photodetector

7171

Partikel im Meßvolumen an der Position a
Particles in the measuring volume at position a

7272

Partikel im Meßvolumen an der Position b
Particles in the measuring volume at position b

88th

lichtleitende Struktur der Beleuchtung
light-guiding structure of the lighting

99

lichtleitende Struktur der Detektion
light-guiding structure of the detection

Claims

1. Device for the detection of particles in gases and liquids consisting of at least one light source, an optical system for irradiating the particles transported in a fluid, at least one measuring cell defining the measuring volume, an optical system for detecting the particles scattered in the measuring volume or weakened light and a detection system for converting the optical signal into electrical signals, characterized in that the optical systems for the irradiation of the particles and the detection of the scattered or weakened light have non-imaging light-guiding structures.

2. Device according to claim 1, characterized in that at least the light-guiding structures of the radiation so are designed so that they reflect on the lateral surfaces or by means of refractive index changes in the material of the light-guiding structure the light from at least one Bundle the light source.

3. Device according to claim 2, characterized in that the light-guiding structures of the radiation and the light source are designed in the form of a manageable unit.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the light-guiding structures of the detection are designed so that they are scattered by the particles or weakened light by means of reflection on the lateral surfaces or by means of refractive index changes in the material of the light-guiding Bundle structure and in a bundled form on one Detection unit with at least one light-sensitive Lead detector.

5. The device according to claim 4, characterized in that the light-guiding structures of the detection and the Detection unit designed in the form of a manageable unit are.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an absorbent dye in the light-guiding structure of the detection, preferably on the Surface or the surface layer of the measuring volume facing side of the light-guiding structure is present.