A method to obtain the diameter of inhomogeneous droplets by using phase-Doppler anemometry (PDA) is described. Inhomogeneities included in a fluid droplet disturb light scattered by the droplet. Consequently the phase difference measured between two Doppler bursts deviates from the value calculated by geometrical optics theory for a droplet of diameter d . Because evaluation of the measured phase differences is based on a linear relationship between phase difference and particle diameter the accuracy of PDA is deteriorated. The difference between the real and the measured diameters of such droplets can be characterized by convolution with a Gaussian probability function. For monodisperse droplets and for a given type of inhomogeneity the standard deviation of the Gaussian function increases linearly with increasing mass concentration of these inhomogeneity. Applying infrared laser-PDA (IR-PDA) with a wavelength of 1312 nm, the measuring range to investigate droplets of, for instance, water-latex suspensions containing 450 nm polystyrene spheres can be extended to suspensions with six times the measurable concentration standard PDA using a He-Ne laser at λ = 632.8 nm. The relative improvement obtained by applying IR-PDA (in comparison with a standard PDA system equipped with a 632.8 nm laser) can be estimated by the decrease of the extinction efficiency Q ext of the inclusions with laser wavelength. The linear relation between extinction E and standard deviation σ can be used by a blind deconvolution algorithm. Starting from the measured diameter distribution of the inhomogeneous droplets the real diameter distribution and the standard deviation of each size class of the particles can be calculated by the algorithm. From this standard deviation it is possible to determine the extinction E and the mass concentration of the inhomogeneities.
For control and optimization ofatomization processes measurement techniques are employed beeing able to determine the diameter and the velocity of the generated droplets. The so-called "Phase-Doppler-Anemometry" (FDA) measuring simultaneously both distributions has been successftilly applied to sprays of homogeneous liquids like water, molten metals etc. In a lot of other technical processes liquids contain optical inhomogeneities consisting of suspended superfme particles. In general the measured droplet size distributions of such process fluids appear to be broadened compared to the "real-one". In the following an approximate method for fmding the "real-size" distributions is introduced. A blurring ftinction is obtained by performing FDA measurements on single-sized droplets. An iterative constrained inversion algorithm is applied evaluating the real-size distribution. The precision of the algorithm is checked by companng the calculated distributions with undistorted measuring results of an atomized optically homogeneous liquid.Keywords: p article-sizing, Phase-Doppler-Anemometiy, inhomogeneous process fluids, ill-posed problems, inversion problems, constrained iterative inversion algorithm INFRODUCTIONWith the advance of process automatization, the demand for fast and high precision measuring and automatic control techniques increases. Avoiding or minimizing low-grade product charges, in line measuring techniques which allow in-situ process control are favoured. In a lot ofdifferent areas ofindustrial processes the atomization ofliquids has become an important unit operation. The quality ofthe atomization process defines product's qualities. For control and optimization ofthese processes the diameter and the velocity of the atomized droplets have to be measured continuously. Optical measurement techniques are prefered because they do not affect the formation of droplets and they need short measuring times.A well established method of theses techniques is the so-called "Phase-Doppler-Anemometry" (PDA)"2 allowing simultaneous measurements of droplet and velocity distributions. In this method an interference fringe field is produced by two crossing laser beams. The light-intensity scattered by a passing single particle is detected at two different locations. The frequency of each signal is proportional to the velocity ofthe particle. The particle diameter is related to the phase difference between both signals. The application of Mie-theory enables the evaluation of this relation3. Whereas the measurement of the velocity distribution is normally uncomplicated problems are encountered by determining the correct size distribution.Mie theory is applicable to homogeneous spherical particles with constant refraction index. Therefore FDA has been successfully applied to sprays ofhomogeneous media like water, mineral oil, molten glass, metals and gas bubbles. Difficulties arise when measuring optical inhomogeneous liquids containing compounds -inmost cases suspended superfine particles -in the order of the laser wavelen...
Zusammenfassend wird festgestellt: -Ein horizontaler Kurvenverlauf (Abb. 6) mit PRiih(Psink = konst.ist nicht erst in Riihrwerken mit D = 3 bis 6 m zu erwarten, sondern Re* > 2000 kann durchaus in Behaltern mit D = 0,5 m vorliegen. -Die Umwdzleistung ist nicht geeignet, den Anstieg von PR,,,j Psi& bei kleinen Re*-Zahlen zu erkltiren. Offensichtlich sind dafiir Viskositiitseinfliisse maRgebend. -Die Umwalzleistung hat wider erwarten wesentlich geringere Bedeutung, als allgemein [3] angenommen wurde. [7] Geisler, R. K.; B u u m n , C.; Mersmann, A. B.: Chem. Eng. J. [8] Zehnec I?: Chem.-Ing.-Tech. 58 (1986) S. 830/31, MS 15361 [9] Breucker, C.; Steifi A.; Weinspuch, I? M.: vgl. [6], Zitat Nr. 6. 51 (1993) S. 29/39. 86. Herrn A. Kochel, der im Rahmen seiner Diplomarbeit die Berechnungen durchgefiihrt hat, sowie der Fa. EKATO Riihr-und Mischtechnik und der Fa. Burgmann Dichtungswerke wird fur die Unterstiitzung gedankt. Eingegangen am 6. Dezember 1994 [K 18631 * Dr.-Ing. rl: Wriedf, Dip1.-Ing. M. Mitschke und Prof. Dr.-Ing. K. Bauckhuge, Universitat Bremen, VerfahrenstechnikFachbereich 4, Postfach 33 04 40, 28334 Bremen.
Die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) ist ein laseroptisches Messverfahren, mit dem simultan der Durchmesser und die Geschwindigkeit sphårischer, optisch homogener Tropfen bestimmt werden kann [1; 2]. Die PDA wird u.a. zur Ûberwachung von Zerståubungsprozessen sowie zur Ûberprçfung und Optimierung von Dçsencharakteristiken eingesetzt. Es treten Schwierigkeiten auf, wenn die Partikel von den vorausgesetzten Idealbedingungen (sphårisch, homogen) abweichen. So låsst sich der Durchmesser von irregulåren Partikeln kaum [3], von inhomogenen Tropfen, wie sie bei Sprçhtrocknungsprozessen oder der Lackierung von Oberflåchen auftreten, nur unter Integration eines Post-processings [5] und von oszillierenden Tropfen lediglich mit einer verminderten Messgenauigkeit bestimmen [6].Um solche Partikeln dennoch fçr PDA-Messungen zugång-lich zu machen, werden die auftretenden Phånomene zunåchst durch Experimente an monodispersen Einzelpartikeln untersucht. Im Falle von inhomogenen Tropfen werden monodisperse Tropfenkollektive bislang mit Hilfe von kontinuierlichen oder Drop-on-demand-Tropfengeneratoren erzeugt. Bei dieser Vorgehensweise unterliegt die Tropfenerzeugung jedoch einigen Einschrånkungen: Flçs-sigkeiten haeherer Viskositåt ( " > 50 mPas) lassen sich, wenn çberhaupt, nur schwer in Einzeltropfen desintegrieren. Aufgrund der in Suspensionen und Emulsionen enthaltenen dispersen Phase kaennen lediglich Flçssigkeiten mit niedriger Konzentration an Inhomogenitåten zertropft werden ± bei haeheren Konzentrationen verstopfen die Tropfengeneratoren sehr schnell. In der Regel lassen sich auch aus Suspensionen niedriger Konzentration nur Einzeltropfen mit Durchmessern graeûer 100 mm produzieren.Als Alternative zu der Einzeltropfenerzeugung mittels Tropfengeneratoren bietet sich das Prinzip der Levitation an. Hierbei lassen sich Einzeltropfen unter Ausnutzung eines elektrischen (elektrodynamische Levitation) oder eines akustischen Schallfeldes (Ultraschalllevitation) freischwetm 3/2000 Die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) wird zur simultanen Bestimmung des Durchmessers und der Geschwindigkeit von Partikeln eingesetzt. Es wird ein PDA-Aufbau beschrieben, mit dem sich der Durchmesser råumlich fixierter Einzeltropfen als auch der Durchmesser bewegender monodisperser Tropfenketten ermitteln låsst. Die Untersuchungen erfolgten an unterschiedlichen Stoffsystemen: Wasser, Wasser-Glycerin-Gemische und Wasser-Glycerin-Gemische mit hinzugefçgten Polystyrolpartikeln (optisch inhomogen). Untersucht wurde die Einflussnahme optischer Inhomogenitåten auf die Bestimmung der Tropfendurchmesser sowie die zeitliche Auflaesung der Durchmesserbestimmung von verdunstenden, akustisch levitierten Wassertropfen.Phase-Doppler-Anemometry (PDA) has been successfully applied to the simultaneous measurement of size and velocity of particles. A modified PDA is introduced to determine the size of stationary droplets levitated in an acoustic field and of moving chains of monosized droplets. Droplet sizes of different liquids like water, water-glycerin, and water-glyce...
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