Time-Shift (Messverfahren)

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Time-Shift (auf Deutsch Zeitverschiebungsverfahren (ZVV)) ist ein Messverfahren, das auf der Rückstreuung von Licht (z. B. Laserlicht) durch Partikel basiert. Es wird zur Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften (Größe und Geschwindigkeit) einzelner Partikel in einem Aerosol oder Spray verwendet.[1][2][3] Aus diesen Größen können wiederum der Tropfenimpuls und der Volumenstrom im Messpunkt bestimmt werden.

Geschichte

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Die Time-Shift-Methode selbst wurde erstmals von Semidetnov (1985)[4] und Pavlovskii (1991)[5] eingeführt. Eine Weiterentwicklung dieser Technik erfolgte durch mehrere Dissertationen an der Technischen Universität Darmstadt, unter anderem von Damaschke (2003)[6], Bakis (2010)[7], Kretschmer (2011)[8], Schäfer (2012)[9], Rosenkranz (2016)[10] und Lingxi (2020)[11]. Zusätzlich gibt es ausgewählte externe Arbeiten, die direkt und indirekt zur Verfeinerung und Verbesserung dieser Technik beitragen: Wigger et al. (2018)[12], Weich (2021)[13], Wachter (2023)[14] und Gödeke (2023)[15]. Die Entwicklung des ersten kommerziellen Geräts auf Basis dieser Technik wurde in Schäfer (2012)[9] beschrieben, wo eine Kombination aus Time-Shift (TS) und Time-of-Flight (TOF) vorgeschlagen wurde. Die ersten Messinstrumente auf Basis von TSTOF wurden in der Industrie schnell populär, da sie einfach zu bedienen sind und eine direkte Berechnungsmethode ermöglichen. Die aktuellste umfassende Beschreibung der TSTOF-Technik sowie die entsprechenden mathematischen Erklärungen finden sich in Schaefer et al. (2021)[16].

Anwendungsbereich

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Dieses Verfahren findet hauptsächlich bei verfahrenstechnischen Aufgaben Anwendung. Dabei werden Tropfen und Partikel, die sich in Suspensionen und Emulsionen oder in einer anderen Flüssigkeit befinden, zuverlässig erfasst. Im Gegensatz zur Phasen-Doppler-Technik kann das Verfahren zwischen Blasen und Feststoffpartikeln unterscheiden. Durch intensive Forschung wurde es möglich, ein kompaktes Analysegerät zu konstruieren, das nun für den industriellen Einsatz von Nutzen ist[17]. Dieser Aufbau und der damit verbundene Vorteil entsteht dadurch, dass Sender- und Empfängeroptiken auf einem gemeinsamen Träger befestigt und somit leicht zu positionieren sind.[18]

Eigenschaften

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Es handelt sich hierbei um ein verbessertes Zeitverschiebungsverfahren, deshalb ist es leichter anpassungsfähig. Für diese Anpassungsfähigkeit sorgt die Möglichkeit des Vorwärts- und Rückwärtsstreuverfahrens. Es bestimmt sowohl die Größe, Geschwindigkeit als auch die Anzahl der Partikel und damit auch den Volumenstrom. In vielen Fällen ist es auch möglich, sich den Brechungsindex angeben zu lassen. Durch dieses Verhältnis kann man die Phase oder das Material, das gerade gemessen wird, bestimmen.[19]

Funktionsweise

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Der Laserstrahl wird von Linsen fokussiert. Das Licht, das durch die Partikel gestreut wurde, teilt sich in s (senkrecht)- und p(parallel)-polarisiertes Licht auf und wird von zwei Photodetektoren separat erfasst. Das Signal, das von den Detektoren kommt, liefert die notwendigen Informationen, um die Größe, Geschwindigkeit und den Brechungsindex der Partikel und Tröpfchen exakt abzuschätzen.

Siehe auch

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  • Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach[20]
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Einzelnachweise

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  1. ↑ Patentanmeldung DE102012102361A1: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften eines transparenten Teilchens. Angemeldet am 20. März 2012, veröffentlicht am 21. Februar 2013, Anmelder: Technische Universität Darmstadt, Erfinder: Cameron Tropea, Walter Schäfer.‌
  2. ↑ Patentanmeldung DE102012102364A1: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Größe eines opaken transluzenten Teilchens. Angemeldet am 20. März 2012, veröffentlicht am 26. September 2013, Anmelder: Technische Universität Darmstadt, Erfinder: Cameron Tropea, Walter Schäfer.‌
  3. ↑ Patentanmeldung EP3835752A1: Verfahren zur Überwachung des Medienstroms eines Tröpfchenstrahls. Angemeldet am 12. Dezember 2019, veröffentlicht am 16. Juni 2021, Anmelder: AOM Systems GmbH, Erfinder: Simon Rosenkranz, Walter Schäfer.‌
  4. ↑ N. Semidetnov, “Investigation of laser Doppler anemometer as instrumentation for two phase flow measurements,” Institut for Precision Mechanics and Optics, 1985.
  5. ↑ B. A. Pavlovskii, N. V. Semidetnov: Combined velocity, size, and concentration measurement for particles in a two-phase flow. In: Measurement Techniques. Band 34, Nr. 9, 1. September 1991, ISSN 1573-8906, S. 917–921, doi:10.1007/BF00980803 (springer.com [abgerufen am 10. November 2024]).
  6. ↑ N. Damaschke, “Theoretische und eperimentelle Untersuchungen zu den Anwendungsgrenzen der Laser-Doppler-Anemometrie,” Universität Rostock, 1997.
  7. ↑ Sasa Bakic: Time Integrated Detection and Applications of Femtosecond Laser Pulses Scattered by Small Particles. Darmstadt 6. April 2010 (tu-darmstadt.de [abgerufen am 10. November 2024] Technische Universität Darmstadt).
  8. ↑ A. Kretschmer, “Partikelcharakterisierung mit dem Zeitverschiebungsverfahren,” Universität Rostock, 2011.
  9. ↑ a b Time-Shift Technique for Particle Characterization in Sprays von Walter Schäfer - Buch. Abgerufen am 10. November 2024.
  10. ↑ S. Rosenkranz, “Advanced Modeling and Signal Processing for the Characterization of Complex Particles with the Time-Shift Technique,” Technische Universität Darmstadt, 2016.
  11. ↑ Lingxi Li: Light Scattering of Complex Particles: Application to the Time-Shift Technique. Darmstadt 2020 (tu-darmstadt.de [abgerufen am 10. November 2024] Technische Universität Darmstadt).
  12. ↑ Georg Wigger, Klaus Dr Holzapfel, Christian Dr Bornemann, Ingo Dr Raupach: Verfahren zur Messung der Wolkigkeit von Lackierungen auf Prüftafeln. DE102008022013A1, 12. November 2009 (google.com [abgerufen am 10. November 2024]).
  13. ↑ D. Weich, “Charakterisierung des Sprays der industriellen Serienlackierung mit Hochrotationszerstäubern und Untersuchung der Zusammenhänge zu Eingangs- und Ergebnisgrößen,” Universität Bremen, 2012.
  14. ↑ Simon Wachter: Scale-up and design of gas-assisted atomizers. 2023, doi:10.5445/IR/1000159585 (kit.edu [abgerufen am 10. November 2024]).
  15. ↑ Lutz Gödeke: Experimental investigation of high-speed rotary bell atomization by laser-optical methods. 2023, doi:10.17877/DE290R-24199 (tu-dortmund.de [abgerufen am 10. November 2024]).
  16. ↑ Walter Schaefer, Cameron Tropea, Georg Wigger, Dirk Eierhoff: Spray measurements with the time-shift technique. In: Measurement Science and Technology. Band 32, Nr. 10, 22. Juni 2021, ISSN 0957-0233, S. 105202, doi:10.1088/1361-6501/ac0467 (iop.org [abgerufen am 10. November 2024]).
  17. ↑ Walter Schäfer, Cameron Tropea: Time-shift technique for simultaneous measurement of size, velocity, and relative refractive index of transparent droplets or particles in a flow. In: Applied Optics. Band 53, Nr. 4, 1. Februar 2014, ISSN 1559-128X, S. 588, doi:10.1364/AO.53.000588 (optica.org [abgerufen am 10. November 2024]).
  18. ↑ Charakterisierung von Partikeln und Tropfen. Abgerufen am 10. August 2016.
  19. ↑ Vincentz Network: Tropfen zählen dank Zeitverschiebung. Abgerufen am 10. August 2016.
  20. ↑ Walter Schaefer, Lingxi Li: Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach. In: Applied Optics. Band 63, Nr. 29, 10. Oktober 2024, ISSN 1559-128X, S. 7701, doi:10.1364/AO.531346 (optica.org [abgerufen am 10. November 2024]).
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