SprayQuantAI® Messprinzip – klassisch

SprayQuantAI® nutzt das klassische Messprinzip TSTOF (Time-Shift-Time-of-Flight) [1][2] und nicht-kohärente Lichtstreuung, um einzelne Tropfen in Sprays und Strömungen zu messen. Aus dem zeitaufgelösten optischen Signal jedes detektierten Tropfens kann das System Tropfengröße, Tropfengeschwindigkeit und Tropfenrate bestimmen.

Der klassische analytische Ansatz erfordert nur wenige mathematische Operationen und eignet sich daher besonders für das Echtzeit-Spray-Monitoring sowie für die Implementierung direkt in einer kompakten Messelektronik.

SprayQuantAI® nutzt nicht-kohärente Lichtstreuung und das TSTOF-Messprinzip zur Charakterisierung von Tropfen in Sprays und Strömungen. Die Grundkonfiguration der Messsonde besteht aus einer einzelnen Laserlinie und einem schnellen optischen Detektor.

Für jeden detektierten Tropfen zeichnet die Messsonde eine zeitaufgelöste Lichtstreusignatur auf. Aus charakteristischen Parametern dieses Signals werden Tropfengröße und -geschwindigkeit berechnet. Zusätzlich liefert die Anzahl der detektierten Tropfenereignisse innerhalb eines definierten Auswerteintervalls die Tropfenrate.

Weiterentwickelte SprayQuantAI®-Konfigurationen können eine KI-basierte Signalverarbeitung nutzen, um zusätzliche Merkmale des Lichtstreusignals auszuwerten. Signalform und -struktur können so zusätzliche Informationen über Tropfen- oder Partikeleigenschaften und – je nach Anwendung und Kalibrierung – über die Materialzusammensetzung liefern [3][4].

Wenn ein Tropfen die Laserlinie durchquert, wird ein Teil des einfallenden Lichts in Richtung des optischen Detektors gestreut. Der Detektor zeichnet ein zeitabhängiges Lichtstreusignal S(t) auf, das sich durch eine Gauß-Funktion mit zwei charakteristischen Signalparametern annähern lässt:

• A – Amplitude des Lichtstreusignals
• σ – zeitliche Breite des Lichtstreusignals

Zusammen beschreiben Signalamplitude und zeitliche Breite die optische Signalstärke und die Verweildauer des Tropfens im beleuchteten Messbereich

Die Menge des detektierten Streulichts, während ein Tropfen die Laserlinie durchquert, lässt sich durch das Zeitintegral des gemessenen Lichtstreusignals darstellen:

Im vereinfachten Modell ist das integrierte optische Signal näherungsweise proportional zur Querschnittsfläche des Tropfens. Da die Querschnittsfläche mit d² skaliert, lässt sich der Tropfendurchmesser aus dem Produkt von Signalamplitude und zeitlicher Signalbreite ableiten:

Dabei ist C_d die Kalibrierkonstante für die Tropfengröße, die im Rahmen der Kalibrierung experimentell anhand von Referenzmessungen bestimmt wird.

Die Tropfengeschwindigkeit hängt mit der zeitlichen Breite des detektierten Lichtstreusignals zusammen. Ein schnellerer Tropfen durchquert die Laserlinie in kürzerer Zeit und erzeugt daher ein schmaleres optisches Signal. Ein langsamerer Tropfen hält sich länger im beleuchteten Messbereich auf und erzeugt ein breiteres Signal.

Die Konstante C_v ist der Kalibrierfaktor für die Geschwindigkeit, der im Rahmen von Fertigung und Kalibrierung bestimmt wird.

Somit lässt sich jedem detektierten Tropfenereignis ein Paar physikalischer Größen (d, v) zuordnen. Für die Größenbestimmung werden Signalamplitude und Signalbreite gemeinsam ausgewertet, während die Geschwindigkeit in erster Linie aus der zeitlichen Signalbreite bestimmt wird.

Neben Tropfengröße und -geschwindigkeit kann SprayQuantAI® die Tropfenrate bestimmen. Die Tropfenrate wird aus der Anzahl der detektierten einzelnen Tropfenereignisse innerhalb des gewählten Auswerteintervalls berechnet.

Die Messung kann daher Änderungen der lokalen Tropfenkonzentration von Änderungen der mittleren Tropfengröße oder -geschwindigkeit unterscheiden. Diese Fähigkeit ist besonders nützlich für die Analyse räumlicher Sprayprofile und die Überwachung dynamischer Zerstäubungsprozesse.

Die hier dargestellten Messungen zeigen, wie sich charakteristische Parameter eines einzelnen Lichtstreusignals in physikalische Größen wie Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit umrechnen lassen. Da die erforderlichen Berechnungen rechnerisch einfach sind, können sie direkt in der Messelektronik implementiert werden. Physikalische Tropfengrößen lassen sich daher mit einer typischen zeitlichen Auflösung von etwa 100ms bereitstellen.

Damit eignet sich SprayQuantAI® dafür, Veränderungen im Zerstäubungsprozess in Echtzeit zu erkennen und Messungen von Tropfengröße, -geschwindigkeit und Tropfenrate in bestehende Spray-Monitoring- und Prozessleitsysteme zu integrieren.

[1] W. Schaefer, L. Li, P. Stegmann, and M. Terada, “TSTOF測定法に関する技術報告書：第一部 ─ 技術的基礎、歴史的発展、および他のレーザー測定法との比較,” J. Coat. Technol. Res., vol. 61, no. 3, Art. no. 100, 2026. [Online]. Available: https://jcot.or.jp/download/61-03-2.pdf

[2] W. Schaefer, L. Li, P. Stegmann, and M. Terada, “Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics, historical development, and comparison with other laser-based measurement methods,” Photonics, vol. 13, no. 1, Art. no. 56, 2026, doi: 10.3390/photonics13010056.

[3] W. Schaefer and L. Li, “Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach,” Appl. Opt., vol. 63, no. 29, pp. 7701–7711, Oct. 2024, doi: 10.1364/AO.531346.

[4] A. M. A. Doan, W. Schaefer, V. Chernoray, W. Schaefer, and V. Chernoray, “Analysis of the light scattering of a colloid droplet on a Gaussian beam to determine the suspension concentration,” in Proc. ILASS-Europe, Lund, Sweden, 2025.