SprayQuantAI® (SQA) ist ein optisches Messsystem zur zeitaufgelösten Charakterisierung einzelner Tropfen in Sprays und Strömungen. Das System kombiniert das klassische [1] und das KI-basierte [2][3] TSTOF-Messprinzip. Es besteht aus einer Messsonde (MSO), einer Steuereinheit (CU) und Software.
Im Betrieb erfasst die MSO-Messsonde optische Signale einzelner Tropfen. Die CU verarbeitet diese Signale anschließend und berechnet Tropfengröße, Tropfengeschwindigkeit und Tropfenanzahl. Abschließend sendet das System die Messergebnisse an das Host-HMI oder stellt sie über eine analoge Schnittstelle bereit.
Messprinzip und wissenschaftlicher Hintergrund
Das TSTOF-Messprinzip bildet die technische Grundlage von SprayQuantAI®. Referenz [1] beschreibt das klassische TSTOF-Verfahren. Die Referenzen [2] und [3] beschreiben darüber hinaus die KI-basierte Analyse von Lichtstreusignalen.
MSO – Messsonde
Optische Messung
MSO ist die optische Sensorkomponente von SprayQuantAI®. Während einer Messung durchqueren einzelne Tropfen den optischen Messbereich und erzeugen Lichtstreusignale. Aus diesen Signalen bestimmt das System Tropfengröße, -geschwindigkeit und -anzahl.
Darüber hinaus kann der KI-Ansatz die Zusammensetzung von Tropfen aus der Struktur des Lichtstreusignals bestimmen [3]. Durch Variation der MSO-Position kann das System außerdem Tropfentrajektorien abschätzen [4].
Die MSO unterstützt verschiedene optische Konfigurationen für unterschiedliche Messabstände: 62,4 mm, 125 mm und 250 mm. Der vorgesehene Tropfenmessbereich beginnt bei etwa 2 µm. Der Geschwindigkeitsbereich reicht zudem bis 250 m/s.
Technische Daten MSO
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Messprinzip | Inkohärente Lichtstreuung + TSTOF |
| Messobjekt | Einzelne Tropfen in Sprays und Strömungen |
| Messgrößen | Tropfengröße, Geschwindigkeit, Anzahl, Opazität und Konzentration |
| Signalverarbeitung | Klassische und KI-gestützte Verarbeitung |
| Minimale Tropfengröße | > 2 µm |
| Maximale Tropfengeschwindigkeit | < 250 m/s |
| Arbeitsabstand | 62,5 mm, 125 mm oder 250 mm je nach optischer Konfiguration |
| Laserwellenlänge | 405–450 nm je nach Konfiguration |
| Laserleistung | 3 mW, 5 mW oder 10 mW |
| Gesamtlänge | 182 mm |
| Maximale Höhe | 74,9 mm |
| Frontbreite | 32 mm |
CU – Steuereinheit
Signalverarbeitung und Systemintegration
Die CU dient als zentrale Komponente für Signalverarbeitung und Systemsteuerung. Sie empfängt die optischen Messsignale der MSO-Messsonde und verarbeitet sie intern.
Die Steuereinheit berechnet die Messparameter, darunter Tropfengröße, -geschwindigkeit, -anzahl und -opazität. Anschließend sendet sie die Daten über Ethernet an den Host-Rechner.
Gleichzeitig stellt die CU die Messergebnisse über eine analoge 4–20 mA-Schnittstelle bereit. Zusätzlich unterstützen digitale I/O-Schnittstellen die Integration in Prüfstände, Automatisierungssysteme und industrielle Prozesse.
Technische Daten Steuereinheit
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Hauptfunktion | Messsignalverarbeitung und Systemsteuerung |
| Berechnete Größen | Tropfengröße, Geschwindigkeit, Anzahl und Zusammensetzung |
| Host-Kommunikation | Ethernet |
| Digitale Schnittstelle | 4 x digitale Eingänge (24 V) 4 x digitale Ausgänge (24 V) |
| Analoge Schnittstelle | 4 x analoge Eingänge (4–20 mA) 4 x analoge Ausgänge (4–20 mA) |
| Host-System | Windows-Rechner mit Ethernet-Anschluss |
| Messdatenausgabe | CSV über die SprayQuantAI®-Software Analoge Schnittstelle (4–20 mA) |
| Betriebsanzeige | Zeigt an, dass die Optik- und Messhardware betriebsbereit ist |
| Messanzeige | Zeigt die aktive Messdatenerfassung an |
| Monitoring-Anzeige | Zeigt den Monitoring-Betrieb an, sofern von der gewählten Konfiguration unterstützt |
| Laseranzeige | Zeigt an, dass die Stromversorgung des Lasertreibers aktiv ist |
| Netzanzeige | Zeigt an, dass die Steuereinheit eingeschaltet ist |
| Laserschlüssel | Gibt die Stromversorgung des Lasertreibers frei |
| Netzschalter | Schaltet die Hauptstromversorgung der Steuereinheit |
| Breite | 251 mm |
| Tiefe | 211 mm |
| Höhe | 109 mm |
Software
Messdatenverarbeitung und Visualisierung
Die SprayQuantAI®-Messsoftware ist in C++ geschrieben und läuft auf einem stromsparenden HMI. Die Steuereinheit führt sämtliche Messberechnungen durch und kommuniziert über Ethernet mit dem HMI.
Die Software kann sich daher auf Messdatenvisualisierung, Systemkonfiguration und Messdatenspeicherung konzentrieren. Für die nachfolgende Analyse speichert die Software die Messwerte im CSV-Format.
Die Standard-Messdatenstruktur enthält: Datum, Uhrzeit, Größe, Geschwindigkeit und Anzahl.
Technische Demonstrationen
Die folgenden Videos zeigen SprayQuantAI® in praktischen Mess- und Monitoring-Anwendungen.
Literatur
[1] Schaefer, W., Li, L., Stegmann, P., & Terada, M. (2026). Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics. Photonics, 13(1), 56. https://doi.org/10.3390/photonics13010056
[2] Schaefer, W., & Li, L. (2024). Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach. Applied Optics, 63(29), 7701–7711. https://doi.org/10.1364/AO.531346
[3] Walter Schäfer, Egor Goldenberg, Magd Fekri Shaif Al-Naggar, Wladimir Schaufler,
AI-assisted determination of refractive index and mass concentration of individual spray droplets using TSTOF light-scattering signals, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2026, 110417, ISSN 0142-727X, https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110417.
[4] Schäfer, W. Neues optisches Messverfahren für Rotationszerstäuber. J Oberfl Techn 66, 52–53 (2026). https://doi.org/10.1007/s35144-026-3895-3