Für die Erzeugung bzw. Anwendung eines Sprays ist die Information der gewünschten oder erzeugten Tropfengrößen und deren Verteilung von maßgeblicher Bedeutung. Korrekterweise gehört zur Anwendung der Zerstäubungstechnik auch eine Angabe über das Tropfengrößenspektrum, das unter definierten Bedingungen aus einer vorgegebenen Flüssigkeit zu erzeugen ist. Bei vielen Anwendungen ist es erwünscht, möglichst kleine Tropfen zu erzeugen. Für die Auslegung von Inhalatoren zum Einatmen von Medikamenten z. B. ist es erforderlich, aus Gründen der Lungengängigkeit eine Tropfengröße kleiner als etwa 10 µm zu erzeugen. Andere Anwendungen verlangen größere Tropfen oder gar einen monodispersen Sprüh. Legt man eine Düse hinsichtlich eines zu erzielenden Tropfengrößenspektrums aus, so ist durch Messung zu gewährleisten, dass diese Düse auch in der Lage ist, das gewünschte Spektrum - natürlich mit gewissen unvermeidbaren Abweichungen - zu erzeugen. Neben dem Tropfengrößenspektrum als der wohl wichtigsten Messgröße in der Zerstäubungstechnik ist auch der Tropfenimpuls und damit die Geschwindigkeit von Interesse, z. B. um Tropfenprallphänomene in Beschichtungsprozessen zu studieren und zu optimieren.

In vielen chemikalischen und physikalischen Prozessen treten Partikel in der Größenordnung zwischen 1 µm und wenigen mm auf, deren Größe bzw. Größenverteilung prozessbestimmend sind oder zumindest einen wichtigen Einfluss auf den Prozess ausüben. Beispiele gibt es aus der Nahrungsmittelherstellung, der Pharmazie und der Prozesschemie sowie aus den verschiedenen Verbrennungsprozessen in Turbinen, Motoren, bei der Kohlestaub-, Kraftstoff- und Klärschlammverbrennung in Kraftwerken, in Herstellungsprozessen und nicht zuletzt im Körperpflegebereich. Das Beugungsspektrometer ist in der Lage, eine Partikelgrößenverteilung aus einer Ansammlung von Teilchen lokal zu messen und die Daten in einer geeigneten Weise zu verarbeiten. Dabei können die Partikel als Feststoff in Gas und Flüssigkeit, als Tropfen in Flüssigkeit und Gas sowie als Gasblasen in Flüssigkeit auftreten. Wichtig ist für die Messung nur, dass die beiden Stoffe unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Dann bietet das Beugungsspektrometer den Vorteil einer berührungslosen, schnellen Messung über einen weiten Bereich der Partikelgrößen. Insbesondere bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten bzw. Suspensionen ist das Beugungspektrometer zu einem Standardwerkzeug geworden.

Der optische Aufbau des Beugungsspektrometers

In der nachfolgenden Abbildung ist der optische Aufbau eines Laser-Beugungsspektrometers dargestellt. Der monochromatische Strahl des Lasers (1) - typischerweise ein He-Ne-Laser niedriger Leistung - wird in der Strahlaufweitungseinheit (2) aufgeweitet und mit Hilfe einer Linse parallelisiert. Zwischen dieser Linse und einer nachgeschalteten Fourier-Linse (4) passiert das Teilchenkollektiv (3) den aufgeweiteten Laserstrahl. Der Abstand l_F-l bezeichnet hier den Arbeitsbereich der Fourier-Linse und f ihre Brennweite. Die Fourier-Linse sorgt dafür, dass das Beugungsbild eines Partikels bestimmter Größe unabhängig von der Position des Partikels im Messvolumen immer an der gleichen Stelle des Ringdetektors (8) abgebildet wird. Das von den Partikeln gebeugte Licht (6,7) bildet auf dem halbkreisförmigen Detektor ein radialsymmetrisches Beugungsbild.

Schematische Darstellung eines Laserbeugungsspektrometers

Partikelgrößenmessungen sind auf vielen Gebieten der angewandten Wissenschaften und Ingenieurtechnik von Bedeutung. Bei der Entwicklung von Brennstoffzerstäuberdüsen beispielsweise oder der Untersuchung von Verbrennungsvorgängen, der Kavitationsforschung als auch der Partikelüberwachung besteht die Notwendigkeit zur störungsfreien, messtechnischen Erfassung der Partikeldynamik, worunter das gleichzeitige Messen der Größe und Geschwindigkeit von Partikeln verstanden sein soll. Dabei sind hohe zeitliche und räumliche Auflösungen gefragt. Ein Gerät, das eine solche messtechnische Erfassung der Partikeldynamik ermöglicht, ist das sogenannte Phasen-Doppler-Anemometer (PDA), das eine Reihe von Vorteilen bietet. Es hat einen sehr großen dynamischen Bereich von Mikrometer bis zu Millimetergröße der Partikeln, eine hohe Genauigkeit, keine Notwendigkeit für eine Kalibrierung mit Partikeln bekannter Größe und eine große Unempfindlichkeit gegenüber optischen Störungen. Zu dichte Sprays machen Messungen allerdings unmöglich.

Die Arbeitsweise dieses Partikelmessgerätes soll im folgenden skizziert werden. Die Phasen-Doppler-Anemometrie nutzt die zusätzliche, in der Phasenlage des Streulichtes enthaltene Information über die Partikelgröße aus. Ähnlich wie beim LDV kann die Arbeitsweise anhand eines einfachen Interferenzstreifenmodells erläutert werden. Beim LDV wird generell ein Photodetektor bzw. Photomultiplier zur Signalerfassung eingesetzt. Ein PDA hingegen benutzt mehrere Photodetektoren. Die Abbildung zeigt die Situation eines Teilchens in dem Messvolumen der sich kreuzenden Laserstrahlen bei Vorhandensein zweier angular versetzter Photodetektoren. Die Frequenz der beiden Signale ist gleich, allerdings unterscheiden sich die Signalphasenlagen. Die Detektoren empfangen also Doppler-Signale gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phase beim Durchlaufen des Teilchens durch das Messvolumen, da sie relativ zum Teilchen unterschiedlich positioniert sind. Die Frequenz enthält die Informationen über die Teilchengeschwindigkeit. Gleichfalls besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser und der Phase, so dass Teilchengeschwindigkeit- und Durchmesser aus den bekannten Größen der Frequenz und der Phase gewonnen werden kann.