Vom 26. bis 30. März 2012 fand an der INSA de Rouen und am CORIA in Rouen, Frankreich, die neunte internationale Konferenz Lasers and Interactions with Particles, kurz LIP 2012, statt. Am 28. März 2012 stellte Walter Schäfer den Beitrag „The Time-Shift Technique for the Measurement of Particle Size and Velocity“ vor. Die Forschung wurde gemeinsam mit Prof. Cameron Tropea an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt.
https://www.sla.tu-darmstadt.de/sla/index.de.jsp
Der Vortrag stellte einen optischen Messansatz vor, mit dem sich Größe und Geschwindigkeit einzelner Tropfen in technisch anspruchsvollen Sprays bestimmen lassen. Im Mittelpunkt der Experimente standen Milchtropfen als natürliche Emulsion und pigmentierte Lacktropfen als komplexes industrielles Spraymedium.
Eine frühe Präsentation der TSTOF-Messtechnik
Der in Rouen vorgestellte Beitrag markierte eine wichtige Etappe in der Entwicklung des Time-Shift-Time-of-Flight-Messverfahrens, kurz TSTOF.
Ein späterer technischer Übersichtsartikel nennt 2012 als das Jahr, in dem Walter Schäfer und Cameron Tropea an der Technischen Universität Darmstadt das erste funktionsfähige Messgerät auf Basis der TSTOF-Technologie vorstellten. Die Entwicklung war Teil mehrerer Forschungsprojekte und Promotionsarbeiten auf dem Gebiet der optischen Partikel- und Spraydiagnostik.
Der Vortrag auf der LIP 2012 zeigte, wie zeitaufgelöste Lichtstreusignale zwei wesentliche Eigenschaften eines bewegten Tropfens bestimmen können:
- den Tropfendurchmesser,
- die Tropfengeschwindigkeit.
Das Verfahren erfasst Tropfen einzeln. Es kann daher Größen- und Geschwindigkeitsverteilungen liefern statt nur gemittelter Informationen über das gesamte Spray.
Warum einzelne Tropfen messen?
Tropfengröße und -geschwindigkeit beeinflussen das Verhalten eines Sprays maßgeblich. Sie wirken sich auf Prozesse aus wie:
- Zerstäubung,
- Beschichtungsqualität,
- Sprühtrocknung,
- Verdampfung,
- Verbrennung,
- Wärme- und Stoffübertragung,
- pharmazeutische Sprayapplikation,
- Materialabscheidung.
Komplexe Flüssigkeiten können konventionelle optische Messsysteme jedoch vor Schwierigkeiten stellen. Transparente Wassertropfen erzeugen relativ klar definierte Streumuster. Emulsionen, Suspensionen und pigmentierte Lacke hingegen können Licht absorbieren oder im Inneren streuen.
Infolgedessen können Signale komplexer Tropfen verzerrt, schwach oder schwer interpretierbar sein. Die Studie auf der LIP 2012 untersuchte, ob der Time-Shift-Ansatz unter diesen anspruchsvollen optischen Bedingungen dennoch verwertbare Größen- und Geschwindigkeitsinformationen gewinnen kann.
Wie funktioniert das Time-Shift-Verfahren?
Ein Tropfen durchquert einen geformten Laserstrahl mit definierter räumlicher Intensitätsverteilung. Während sich der Tropfen durch den Strahl bewegt, streut er Licht in Richtung optischer Detektoren.
Da verschiedene optische Streumoden von unterschiedlichen Positionen im Inneren oder an der Oberfläche des Tropfens ausgehen, zeichnet der Detektor ein zeitaufgelöstes Signal mit mehreren charakteristischen Peaks auf. Der zeitliche Abstand zwischen diesen Peaks hängt vom Tropfendurchmesser und von der Geschwindigkeit ab.
TSTOF kombiniert zwei Arten von Information:
Time Shift (Zeitverschiebung):
Die zeitliche Verschiebung zwischen charakteristischen Streupeaks enthält Information über die Tropfengröße.
Time of Flight (Laufzeit):
Der Durchgang des Tropfens durch räumlich getrennte Lichtbereiche liefert Information über seine Geschwindigkeit.
Das Verfahren wandelt somit die räumliche Wechselwirkung zwischen Tropfen und Laserstrahl in eine zeitliche Lichtstreusignatur um. Die Signalform enthält zudem weitere Information über die optischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des Tropfens.
Kompakte Konfiguration in naher Rückstreuung
Bei den Experimenten zur LIP 2012 kam eine Konfiguration in naher Rückstreuung mit zwei optischen Detektoren zum Einsatz. In dieser Anordnung können Beleuchtungs- und Detektionskomponenten von annähernd derselben Seite des Sprays aus arbeiten.
Diese Konfiguration bietet praktische Vorteile. Sie kann den Bedarf an optischem Zugang auf gegenüberliegenden Seiten einer Messkammer verringern. Das Verfahren eignet sich daher unter Umständen für Prüfstände, geschlossene Spraysysteme, Windkanäle, Beschichtungsanlagen und andere Umgebungen mit eingeschränktem Zugang.
Darüber hinaus kann die kompakte optische Anordnung die Justage im Vergleich zu Messverfahren vereinfachen, die ein großes Empfangssystem auf der gegenüberliegenden Seite des Sprays benötigen.
Messungen an Milchtropfen
Milch diente als natürliches Beispiel für eine Emulsion. Ein Milchtropfen enthält Wasser, Fett, Proteine und weitere Bestandteile. Diese erzeugen interne Streuung und machen die optische Antwort komplexer als die eines reinen Wassertropfens.
Trotz dieser Komplexität zeichnete das TSTOF-System erkennbare Time-Shift-Signaturen auf. Die Signale enthielten Peaks, die der Oberflächenreflexion und dem gebrochenen Licht zugeordnet werden konnten.
Die Experimente zeigten, dass das Messprinzip die relevanten optischen Signalanteile weiterhin identifizieren konnte. Das System konnte daher sowohl den Tropfendurchmesser als auch die Geschwindigkeit für Milchsprays bestimmen.
Dieses Ergebnis belegte, dass TSTOF nicht auf optisch ideale, vollständig transparente Flüssigkeiten beschränkt war. Es zeigte zudem Potenzial für Emulsionen und andere heterogene Tropfensysteme.
Messungen an pigmentierten Lacktropfen
Pigmentierte Lacksprays stellen eine noch größere optische Herausforderung dar. Pigmente und dispergierte Partikel absorbieren und streuen Licht im Inneren der Tropfen. Die aufgezeichneten Signale können daher Nebenpeaks, wechselnde Amplituden oder verzerrte Signalformen aufweisen.
Die Studie zeigte, dass das System viele dieser Signale dennoch erfassen und verarbeiten konnte. Ein weniger restriktives Validierungskriterium ermöglichte es, verwertbare Tropfenereignisse auch dann in der Auswertung zu behalten, wenn ihre Signaturen nicht einem idealen Signal eines transparenten Tropfens entsprachen.
Auch wenn einzelne Signale eine größere Unsicherheit aufweisen konnten, lieferte die Messung dennoch aussagekräftige statistische Information über das Tropfenensemble.
Diese Erkenntnis war für industrielle Beschichtungsanwendungen wichtig, bei denen reale Lacktropfen oft erheblich von idealen transparenten und homogenen Tropfen abweichen.
Wesentliche Ergebnisse des Beitrags zur LIP 2012
Die Experimente zeigten mehrere wichtige Fähigkeiten des Time-Shift-Ansatzes:
- gleichzeitige Messung von Größe und Geschwindigkeit einzelner Tropfen,
- Einsatz bei komplexen und optisch heterogenen Flüssigkeiten,
- Erfassung charakteristischer Lichtstreumoden,
- Messung in einer kompakten Anordnung in naher Rückstreuung,
- Auswertung von Signalen bei reduziertem Signal-Rausch-Verhältnis,
- Gewinnung statistisch verwertbarer Ergebnisse für pigmentierte Lacksprays.
Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass zeitaufgelöste Lichtstreusignaturen mehr Information enthalten als ein einzelner Intensitätswert. Ihre Form, Peakpositionen, Breiten und zeitliche Abfolge können eine detaillierte Analyse einzelner Tropfen unterstützen.
Verbindung zwischen Forschung und industrieller Spraymesstechnik
Der Vortrag auf der LIP 2012 war Teil des Übergangs von der universitären Grundlagenforschung hin zu praxistauglicher optischer Spraymesstechnik.
Milch und Lack standen für zwei wichtige Klassen komplexer Tropfen:
- Emulsionen mit inneren Strukturen,
- industrielle Flüssigkeiten mit Pigmenten und dispergierten Stoffen.
Beide Beispiele zeigten, dass optische Messverfahren mit realen Materialeigenschaften umgehen müssen und nicht nur mit idealen transparenten Tropfen.
Die Analyse zeitaufgelöster Lichtstreusignale ist bis heute relevant für Beschichtungstechnik, Sprühtrocknung, pharmazeutische Sprays, Verbrennungsforschung, Suspensionssprays und industrielle Prozessüberwachung.
Historische Bedeutung des Konferenzbeitrags
Der Beitrag zur LIP 2012 fiel in die Schlussphase von Walter Schäfers Promotion an der Technischen Universität Darmstadt. Er präsentierte einer internationalen Fachgemeinschaft, die sich mit Laser-Partikel-Wechselwirkung und optischer Partikelcharakterisierung befasst, ein funktionsfähiges TSTOF-Messkonzept.
Die Konferenz eignete sich für diese Arbeit besonders, weil sie Folgendes miteinander verband:
- theoretische Beschreibungen der Lichtstreuung,
- Entwicklung optischer Systeme,
- Verfahren zur Partikelgrößenbestimmung,
- Laserdiagnostik,
- industrielle Messanwendungen.
Der Vortrag berichtete daher nicht nur über experimentelle Ergebnisse. Er stellte auch eine Messarchitektur vor, die später die weitere Forschung an transparenten, semitransparenten und heterogenen Tropfen unterstützte.
