Time-Shift Time-of-Flight
Time-Shift Time-of-Flight (TSTOF) ist ein Messverfahren zur Analyse von Tröpfchen und Partikeln in einem Spray oder allgemein in einer Strömung. TSTOF[1] ist eine Kombination aus Time-Shift (TS)[2] und Time-of-Flight (TOF). Die ersten Messinstrumente auf Basis von TSTOF wurden 2012[3][4][5] an der Technischen Universität Darmstadt vorgestellt. Das Messverfahren fand in der Industrie schnell Beliebtheit aufgrund seiner einfachen Handhabung und der klaren Berechnung der Größe und Geschwindigkeit von Tröpfchen oder Partikeln. Die Entwicklung des ersten kommerziellen Geräts, basierend auf TSTOF, wurde in Schäfer (2012)[6] ausführlich beschrieben. Die aktuellste umfassende Beschreibung der TSTOF-Technik sowie die entsprechenden mathematischen Erklärungen finden sich in Schäfer et al. (2021)[7].
Die Time-Shift-Methode selbst wurde erstmals von Semidetnov (1985)[8] und Pavlovskii (1991)[2] eingeführt. Eine Weiterentwicklung dieser Technik erfolgte durch mehrere Dissertationen an der Technischen Universität Darmstadt, unter anderem von Damaschke (2003)[9], Bakis (2010)[10], Kretschmer (2011)[11], Schäfer (2012)[6], Rosenkranz (2016)[12] und Lingxi (2020)[13]. Zusätzlich gibt es ausgewählte externe Arbeiten, die direkt und indirekt zur Verfeinerung und Verbesserung dieser Technik beitragen: Wigger et al. (2018),[14] Weich (2021)[15], Wachter (2023)[16] und Gödeke (2023)[17].
Funktionsweise
BearbeitenDie TSTOF-Technik nutzt die Wechselwirkung von Licht mit Partikeln oder Tröpfchen, die durch einen fokussierten Laserstrahl geführt werden. Die Technik ist besonders effektiv in Rückwärtsstreuungskonfigurationen, da sie eine kompakte Bauweise ermöglicht und sich für Anwendungen mit begrenztem optischem Zugang eignet. Die Messung beruht auf folgenden Prinzipien:
Zeitverschiebung (Time-Shift): Partikel passieren einen fokussierten Laserstrahl mit Gauß-Profil. Das gestreute Licht wird in verschiedene Streuordnungen zerlegt (z. B. Reflexion und Brechung). Die zeitliche Verschiebung der Signale zwischen Detektoren, die verschiedene Streuordnungen erfassen, ist direkt proportional zur Partikelgröße und umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit.
Laufzeitmessung (Time-of-Flight): Die Geschwindigkeit der Partikel wird durch die Zeitdifferenz zwischen den Signalen an zwei Detektoren bestimmt.
Brechungsindexmessung: Der Brechungsindex wird aus der relativen Stärke und zeitlichen Lage der verschiedenen Streuordnungen abgeleitet.
Konzentrationsmessung von Suspensionen: Die Technik kann auch die Konzentration von Partikeln in Suspensionen oder Emulsionen bestimmen, indem die Signalintensität und die Streumuster analysiert werden.
Spraydichte: Eine präzise Anordnung gekreuzter Laserstrahlen ermöglicht die Definition eines klar abgegrenzten Messvolumens. Dadurch wird es möglich, die Partikeldichte oder Spraydichte direkt zu berechnen, indem die Anzahl der gemessenen Partikel im bekannten Messbereich erfasst wird.
Weblinks
BearbeitenEinzelnachweise
Bearbeiten- ↑ N. V. Semidetnov: Particle diagnostics in a flow using the delays of signals of various scattering orders. In: Measurement Techniques. Band 52, Nr. 6, Juni 2009, ISSN 0543-1972, S. 636–645, doi:10.1007/s11018-009-9320-5 (springer.com [abgerufen am 10. November 2024]).
- ↑ a b 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, September 1991, ISSN 0543-1972, S. 917–921, doi:10.1007/BF00980803 (springer.com [abgerufen am 10. November 2024]).
- ↑ W. Schäfer and C. Tropea, “The Time-Shift Technique for Measurement of Size and Velocity of Particles,” in 24th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Estoril, Portugal, 2011.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ a b Time-Shift Technique for Particle Characterization in Sprays von Walter Schäfer – Buch. Abgerufen am 10. November 2024.
- ↑ Walter Schaefer, Cameron Tropea, Georg Wigger, Dirk Eierhoff: Spray measurements with the time-shift technique. In: Measurement Science and Technology. Band 32, Nr. 10, 1. Oktober 2021, ISSN 0957-0233, S. 105202, doi:10.1088/1361-6501/ac0467 (iop.org [abgerufen am 10. November 2024]).
- ↑ N. Semidetnov, “Investigation of laser Doppler anemometer as instrumentation for two phase flow measurements,” Leningrad Institut for Precision Mechanics and Optics, 1985.
- ↑ N. Damaschke, “Light Scattering Theories and Their Use for Single Particle Characterization,” Technische Universität Darmstadt, 2003.
- ↑ 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).
- ↑ A. Kretschmer, “Partikelcharakterisierung mit dem Zeitverschiebungsverfahren,” Universität Rostock, 2011.
- ↑ S. Rosenkranz, “Advanced Modeling and Signal Processing for the Characterization of Complex Particles with the Time-Shift Technique,” Technische Universität Darmstadt, 2016.
- ↑ 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).
- ↑ Patentanmeldung WO2020002245A1: Verfahren zur Bestimmung der Tropfengrößenverteilung während der Zerstäubung und darauf basierendes Screening-Verfahren bei der Lackentwicklung. Angemeldet am 24. Juni 2019, veröffentlicht am 2. Januar 2020, Anmelder: BASF Coatings GmbH, Erfinder: Georg Wigger et al.
- ↑ D. Weich, “Charakterisierung des Sprays der industriellen Serienlackierung mit Hochrotationszerstäubern und Untersuchung der Zusammenhänge zu Eingangs- und Ergebnisgrößen,” Universität Bremen, 2021.
- ↑ Simon Wachter: Scale-up and design of gas-assisted atomizers. 2023, doi:10.5445/IR/1000159585 (kit.edu [abgerufen am 10. November 2024]).
- ↑ 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]).