Partikelanalysatoren

Partikelanalyse ist der Nachweis von Fremdkörpern in Flüssigkeiten (=Suspensionen, Gasbläschen, Tröpfchen) oder Gasen (=Stäube oder Aerosole). Falls das zu messende Material nicht bereits in ein geeignetes Trägermedium eingebettet ist, kann es vorher in ein solches eingeleitet werden. In der DDR wurden für die Partikelanalysen als Trägermedium stets Flüssigkeiten verwendet.

Ziel der Partikelanalyse ist die Beantwortung der Fragen: Welche Partikelgrößen sind in der zu prüfenden Substanz enthalten (qualitative Auswertung) und in welcher Menge (quantitative Auswertung)?

Für die quantitative Auswertung stehen mehrere Verfahren zu Verfügung:

elektrische Feldstörung: die Probe wird zwischen zwei Kondensatorplatten hindurchgeleitet. Partikel bewirken Kapazitätsänderungen, die elektrisch erfasst werden können.
optische Extinktion: die Probe seitlich von einer starken Lichtquelle (Halogenlampe) beleuchtet. Auf der Gegenseite befindet sich ein Lichtdetektor. Vorbeiziehende Partikel bewirken eine zeitweise Abschattung auf dem Sensor. Erfasst man die Zeit der Abschattung, kann man auch Rückschlüsse auf die Größe eines Partikels ziehen.
Streulichtmessung: die Probe wird seitlich von einer starken Lichtquelle (Halogenlampe oder Laser) beleuchtet. Um 90° versetzt befindet sich ein Fotodetektor. Bei völlig reiner Substanz bleibt der Detektor dunkel. Befinden sich Verunreinigungen in der Substanz, wird deren Aufleuchten (Lichtstreuung) registriert. Erfasst man die Zeit der Aufleuchtens, kann man auch Rückschlüsse auf die Größe eines Partikels ziehen.
Laserbeugung: die Probe wird von einem Laser durchstrahlt. Auf der Gegenseite befindet sich ein Detektor, der mittels einer Fourierlinse die Lichtverschiebungen aufgrund der optischen Beugung an den Partikeln erfasst. Da kleine Partikel Licht stärker beugen als große, kann auf diese Weise auch eine qualitative Auswertung erfolgen.

Zur Auswertung wird ein mit Messkarten ausgestatteter Computer benutzt, der die Licht- bzw. Stromschwankungen der Sensoren misst.

Die qualitative Auswertung ließ sich ebenfalls in gewissen Grenzen durch den Messrechner vornehmen. Eine weitere Unterscheidung von Großenklassen konnte man durch eine vorangegangene Partikeltrennung erreichen. Man nahm dazu eine Apparatur, die die Partikel abhängig von ihrer Größe/Masse innerhalb eines Gefäßes an unterschiedliche Stellen bewegte (z.B. durch elektrostatische Beeinflussung) und siebt mithilfe eines an passender Stelle befindlichen Loches die gewünschten Partikel aus.
Da sich auf diese Weise sehr kleine Partikel (z.B. Feinstaub) nicht nachweisen lassen, kann man versuchen, diese durch Anlagerung einer Hilfssubstanz zu vergrößern (z.B. Nutzung als Kristallisationskeime).

Entwickler dieser Messrechner in der DDR war das Methodisch-Diagnostische Zentrum "Granulometrie" der TU Dresden in Zusammenarbeit mit dem VEB Robotron-Messelektronik. Finalproduzent und Hersteller blieb, in Ermangelung einer anderen Elektronikfirma, der Wissenschaftliche Gerätebau der TU Dresden. Die genauen Stückzahlen sind nicht bekannt. Da von einer Produktionskapazität von 25 Exemplaren für das Jahr 1988 berichtet wurde, ist auszugehen, dass insgesamt nicht mehr als 100 Exemplare produziert wurden. Als Gerätebasis diente anfangs ein Messrechner PSA1303 vom VEB Messelektronik Berlin, später der MC80.3x vom VEB Elektronik Gera.

Sensoren

Feldstörungssensor

Die Entwicklung der TU Dresden ging anfangs in Richtung eines Feldstörungssensors und eines Extinktionssensors. Da der Extinktionssensor geringere Anforderungen an Konstruktion und Fertigung stellte, wurde demgegenüber die Entwicklung des Feldstörungssensors abgebrochen.

Weißlicht-Extinktionssensor

Dieses Gerät wurde vom Wissenschaftlichen Gerätebau der TU Dresden hergestellt und in den Partikelanalysatoren PA87/1 und PA88/1 verwendet. Der Partikelanalysator war damit in der Lage, in Flüssigkeiten Partikel (Feststoffe, Tropfen oder Blasen) mit Durchmessern von 1,2 µm bis 250 µm und einer Konzentration von 0-8000 Teilchen pro cm³ zu messen sowie im Bereich 40-290 µm Größenmessungen zu ermöglichen. Kleinere Partikel waren aufgrund der ungenügenden Auflösung des Weißlichts nicht möglich; in dieser Richtung brachte der Lasermesskopf Abhilfe.

Weißlicht-Extinktionssensor

Der Messkopf bestand aus einem Glaszylinder, in dem sich die zu prüfende Substanz befand. Ein per Elektromotor angetriebenen Rührer verhinderte, dass sich darin Schwebstoffe absetzten (Sedimentation). Über ein computergesteuertes, elektromagnetisches Ventil lief die Flüssigkeit von oben durch den Messkopf und anschließend in ein darunterstehendes Becherglas. Durch eine seitlich angeordnete, 20W-Halogen-Lichtquelle mit elektronisch stabilisierter Betriebsspannung wurde die Prüfsubstanz beleuchtet und mit einem auf der Gegenseite angeordnetem Lichtdetektor die Lichtverdunkelung durch die Partikel erfasst.

Um die Prüfsubstanz ggf. verdünnen zu können, musste hochreines Wasser benutzt werden, das selbst keinerlei Schwebstoffe besitzen durfte. Dieses Wasser konnte z.B. in kleinen Mengen mit Filterung durch eine Kernspurmembran (Zellstoff-Acetat-Membran, durch Ionenbeschuss durchlässig gemacht) gewonnen werden.

Nach jeder Messung war der Messkopf mit gereinigtem Wasser auszuspülen. Etwaige Verstopfungen des Durchflusses waren mit einer Kunststoffborste oder einem rückwärts gerichteten Wasserstrahl zu beseitigen.

Laserstreulichtsensor PAS-LS

Dieses Gerät wurde vom Wissenschaftlichen Gerätebau der TU Dresden entwickelt und sollte 1990 in den Partikelanalysatoren PA8771 und PA8871 verwendet werden. Sein Vorteil gegenüber dem Weißlichtsensor lag in der Möglichkeit, auch Partikelgrößen < 1,5 µm Durchmesser zu erfassen. Es gab allerdings Probleme, einen Produktionspartner dafür zu finden. Somit ist es unsicher, ob dieser Sensor jemals über den Prototypenstatus hinausging.

Zum Einsatz des Lasersensors waren Umrüstungen am Messrechner erforderlich. Die so geänderten Messrechner wurden als "PSA/U" bezeichnet.

Der Preis für den Sensor lag in der DDR bei 17.500 Mark zuzüglich 10.000 Mark Nutzungsentgelt, nach der deutschen Wiedereinigung bei 14280 DMark.

Partikelanalysator PA87/1

Dieses Gerät wurde ab 1987 vom Wissenschaftlichen Gerätebau der TU Dresden in sehr kleiner Stückzahl gebaut. Es basierte auf dem Messrechner PSA1303, von dem es die Prozessoreinheit, den Speicher und die Grafikkarte nutzte. Speziell für die Partikelanalyse wurde eine Stromversorgung für die Lichtquelle eingebaut, eine ROM-Karte mit der Analysesoftware, die eine Analogkarte (programmierbarer Verstärker) und eine ADU-Karte zur Digitalisierung der Messdaten.

Partikelanalysator PA87/1

Rückseite des PA87/1

Als Messköpfe kamen entweder ein Weißlichtkopf oder ein Laserkopf zum Einsatz.

Mit dem Verfahren der Vielkanalanalyse konnte dabei nicht nur die Anzahl der Partikel in der Probe erfasste werden, sondern auch deren Größe, aufgesplittet in 64 Größenklassen.

Betriebssystem und Anwendersoftware befanden sich in EPROMs (insgesamt 32 KByte), waren also direkt mit dem Einschalten des Gerätes verfügbar. Um kurze Auswertezeiten zu erhalten, wurde die gesamte Software in Assembler geschrieben. Nach der Einschalten führte der Rechner einen Selbsttest aus, gab einen Hinweistext zu seiner Bedienung aus und ging anschließend ins Hauptmenü, in dem verschiedenen Messarten ausgewählt werden konnten, im wesentlichen Forschungsmessungen sowie Routinemessungen. Forschungsmessungen dienten der Auffindung der optimalen Analysebedingungen für die späteren Routinemessungen.

Startbildschirm des PA87/1

Hauptmenü

Partikelanalyse

Die gemessenen Daten konnten tabellarisch und grafischen auf dem Bildschirm dargestellt sowie auf einem Drucker K6303, K6311 oder K6313 ausgegeben werden. Eine Kopplung mit anderen Rechnern war nicht vorgesehen. Eine externe Tastatur war ebenfalls nicht vorgesehen: der Rechner wurde ausschließlich menügeführt mit der am Grundgerät befindlichen Kleintastatur gesteuert.

Der Preis für das Messsystem betrug 95.000 Mark, wobei 45.000 Mark auf die Hardware entfielen und 40.000 Mark als Nachnutzungsgebühr für die Software.
Von diesem seltenen Gerät hat heute wahrscheinlich nur 1 Exemplar überlebt. Es befindet sich im Rechenwerk Halle und ist funktionsfähig. Ein Einsatzfall für das Gerät war im Forschungszentrum für Abwassertechnik in Dresden die Messung von Aktivkohlefiltern.

Partikelanalysator PA88/1

Dieses Gerät wurde ab 1988 vom Wissenschaftlichen Gerätebau der TU Dresden in sehr kleiner Stückzahl gebaut. Es basierte auf dem Computer MC80.3x vom VEB Elektronik Gera, zu dem die TU Dresden durch die Entwicklung des Logikanalysators MC80-LA bereits geschäftliche Beziehungen hatte. Der PA88/1 stellte chronologisch den Nachfolger des PA87/1 dar.

PA88/1

Rückansicht des Gerätes

Innenansicht des PA88/1

Vom PA88/1 ist heute nur noch 1 Exemplar bekannt. Es befindet sich im Rechenwerk Halle.

Nachfolgemodelle

Mit dem Zusammenbruch der DDR wurden westliche Rechner verfügbar. Daher entwickelte die TU Dresden einen Leiterkartensatz für XT und AT-Computer und verwarf die Modelle PA87/1 und PA88/1, zumal sich deren Grundgeräte-Herstellerfirmen schon bald in Auflösung befanden.

Letzte Änderung dieser Seite: 10.02.2020

Herkunft: www.robotrontechnik.de