Laserbeugungsspektrometer – Tropfengrößen und Tropfengrößenverteilungen laseroptisch messen

Mit dem Laserbeugungsspektrometer werden Tropfengrößen und deren vollständige Verteilungen in einem Spray laseroptisch gemessen. Der große Vorteil der laseroptischen Messmethoden besteht darin, dass die Messungen immer berührungs- und somit beeinflussungsfrei ablaufen. Die Sprayeigenschaften werden also bei der Durchführung der Messung nicht verändert. Das ist natürlich im Interesse der Reproduzierbarkeit und der Messgenauigkeit von sehr großer Bedeutung!

Sprühnebel an einer Treibgasflasche mit dem Laserbeugungsspektrometer messen.

Die besondere Herausforderungen beim Messen von Tropfengrößen und deren Verteilungen:

Das von Düsen und Zerstäubern gelieferte Spray ist üblicherweise sehr dicht. Es besteht also aus einer Vielzahl einzelner Tropfen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Bis auf wenige Ausnahmen ist die Spraykontur zudem kegelförmig und somit dreidimensional.

Der Versuch, verlässliche Informationen über die Tropfengrößen in einem Spray und somit über die Sprayeigenschaft durch abbildende Methoden zu erhalten scheitert üblicherweise. Zum einen ist die Anzahl an Tropfen im Spray oft sehr hoch, zum anderen weisen die Tropfen eine hohe Geschwindigkeit auf. Dieses hat zur Folge, dass auf einem Bild nur ein milchiger und verschwommener Nebel zu erkennen ist.

Das bedeutet: reproduzierbare Aussagen zu Trofengrößenverteilungen im Spray einer Düse lassen sich mit dieser Methode also üblicherweise nicht erzielen.

Ebenso scheitern Versuche, die verschiedenen Tropfengrößen durch Sonden oder durch das Auffangen von Tropfen zu ermitteln. Es muss zudem unbedingt berücksichtigt werden, dass jeder Eingriff in das Spray natürlich auch unerwünschte Wechselwirkungen hervorruft. Dadurch können sich die ursprünglichen Sprayeigenschaften deutlich verändern.

Beugungsspektrometer zum Messen von Tropfengrößen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Die praktikable Lösung: Messungen mit dem Laserbeugungsspektrometer.

Das Messen mit dem Laserbeugungsspektrometer stellt eine elegante, kostengünstige und zudem effiziente Methode zum Ermitteln der vollständigen Tropfengrößenverteilung in einem Spray dar.

Bei dieser Messtechnik werden die besonderen optischen Eigenschaften eines Laserstrahles genutzt. Dieser wird durch das von einer Düse erzeugte Spray geleitet. Die im Spray befindlichen Tropfen führen in Abhängigkeit von ihrer Größe zu einer Beugung des Laserlichtes.

Durch den Einsatz spezieller Linsen kommt es zu einem spezifischen Beugungsmuster. Eine spezielle Software wertet dieses Muster in kürzester Zeit aus. Das Ergebnis einer derartigen Messung ist ein Protokoll, welches nicht nur die charakteristischen Tropfendurchmesser aufweist. Vielmehr erhält man Informationen über die gesamte Tropfengrößenverteilung.

Es handelt sich hierbei um eine integrale Messmethode. Integral bedeutet in diesem Fall, dass ein bestimmter Bereich des Sprays gemessen wird. Dieser Messbereich wird durch den Durchmesser des Laserstrahl und den durchleuchteten Spraybereich gebildet. Um das vollständige Spray zu vermessen ändert man die Positionierung der Düse in Bezug auf den Laserstrahl. Damit lassen sich dann auch Randbereiche eines Sprays verlässlich vermessen.

Hierauf ist zu achten!

Wichtig ist die Messentfernung zwischen dem Laserstrahl und der Düsenmündung. Die Sprayeigenschaften an einer Düse ändern sich mit zunehmender Entfernung von der Düsenmündung. Dafür verantwortlich sind Verdunstungseffekte an Tropfen und die Tropfenkoaleszenz. Unter der Tropfenkoaleszenz versteht man das Zusammenfließen von Tropfen. Zwei Sprayeigenschaften können somit nur dann sinnvoll miteinander verglichen werden, wenn sie unter identischen Bedingungen aufgenommen wurden.

Werden beispielsweise von Treibgasflaschen produzierte Sprays gemessen kommt es zu einem besonderen Phänomen. Treibgase und Lösungsmittel führen zu einer sogenannten optischen Dichteverschiebung. Die Folge davon ist, dass im Messprotokoll des Laserbeugungsspektrometers einige wenige, aber extrem grobe Tropfen ausgewiesen werden. Diese sind jedoch real nicht vorhanden! Vielmehr ist die optische Dichteverschiebung hierfür verantwortlich. Unsere Experten erkennen dieses selbstverständlich. Die Software des Laserbeugungsspektrometers bietet spezielle Funktionen, um hier eine erforderliche Korrektur durchführen zu können.

Selbstverständlich sind zudem die kompletten Messbedingungen zu dokumentieren. Also auch Temperatur, Luftfeuchte und Umgebungsdruck!

Protokoll einer Messung mit dem Laserebugungsspektrometer Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Klicken Sie auf die Abbildung, um das Beispiel eines Messprotokolls als PDF zu betrachten.

Das Ergebnis einer Messung mit dem Laserbeugungsspektrometer.

Nach dem Abschluss der Messung liegt nach kurzer Zeit ein vollständiges und aussagekräftiges Messprotokoll vor. 

Neben den üblichen charakteristischen Tropfendurchmessern wie beispielsweise dem mittleren Tropfendurchmesser d50 und dem Sauterdurchmesser d32 wird selbstverständlich die gesamte Tropfengrößenverteilung dargestellt.

Nur so ist es überhaupt möglich, fundierte Aussagen zu den feinsten beziehungsweise gröbsten Tropfen in einem Spray zu treffen. Eine sehr wichtige Information, um Aussagen zu unerwünschten Overspray-Effekten oder dem Anlagern von Tropfen an Wandungen zu erhalten.

Darüber hinaus finden sich noch weitere interessante Informationen im Messprotokoll der Laserbeugungsspektrometer-Messung. Zum Beispiel Angaben zur Tropfenkonzentration im Messvolumen und der errechneten spezifischen Oberfläche des Sprays. 

Nur mit diesen umfassenden Informationen können anschließend verlässlich Berechnungen zu Stoff- und Wärmeübergangsprozessen oder zu nachgeschalteten verfahrenstechnischen Vorgängen durchgeführt werden. 

Auch dieses belegt wieder einmal deutlich, dass einzelne Angaben wie mittlere Tropfendurchmesser D50 oder Sauterdurchmesser D32 zu Sprayeigenschaften nicht ausreichend sind!

Messungen mit dem Laserbeugungsspektrometer als Dienstleistung.

Auch das zählt natürlich zum Full-Service der IBR Zerstäubungstechnik GmbH. Das Messen von vollständigen Tropfengrößenverteilungen an Düsen und Zerstäubern mit dem Laserbeugungsspektrometer bieten wir Ihnen auch als separate und unabhängige Dienstleistung an. Also auch an bereits im Einsatz befindlichen Düsen und Zerstäubern.

Dieses ist auch sinnvoll, da Möglichkeiten zu Prozessoptimierungen oftmals erst dann verlässlich abgeschätzt werden können, wenn die aktuellen Sprayeigenschaften bekannt sind. Nur eine zuverlässige Ist-Analyse erlaubt Aussagen zu einem Optimierungspotenzial.

In einem ersten Schritt prüfen wir, ob das Laserbeugungsspektrometer die geeignete Messmethode darstellt. Denn es gibt physikalische Grenzen für diese Messmethode. Ist zum Beispiel das Spray extrem dicht oder liegen sehr große Tropfen vor, kommen eventuell andere Messmethoden in Betracht. Dann empfehlen wir Ihnen alternativ Messungen mit dem Phasen-Doppler-Anemometer; PDA.

Sofern gewünscht und technisch möglich, führen wir diese laseroptischen und somit berührungs- und beeinflussungsfreien Messungen von Tropfengrößenspektren auf Wunsch dann auch gerne in Ihrem Hause durch.

Ingenieure und Physiker der IBR Zerstäubungstechik GmbH beraten Sie jetzt gerne zu Spraymesstechniken, die auch als separate Dienstleistung angeboten werden!

Hotline: +49 251 2 87 99 53-0

Beratung zu Messungen mit dem Laserbeugungsspektrometer.

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