Dissertation

110 5.3. Integriertes Messsystem in PMMA zur Streulichtanalyse
5.3.4. Analyse des Gesamtsystems mit ASAP
Bild 5.9 zeigt in (a) die fertig montierte Probenkammer und in (b) eine Skizze
des Gesamtsystem mit allen Komponenten.
(a)
(b)
Al Spiegel
PMMA
Vierquadrantendiode
Partikel
Kanal mit
Streulicht
fließender
Suspension
Al Spiegel
PMMA
optische
Freiformfläche
VCSEL
Licht @850
Streulichtdetektoren
5 mm
FS 21
Underfiller
Si-Chip
Leiterplatte
Verbindungskabel
zum Multimeter
Bild 5.9.: (a) Montierte Probenkammer und (b) Skizze des Gesamtsystems.
Das Gesamtsystem wurde in ASAP modelliert und analysiert. Dabei lag der
Hauptfokus auf den Streulichtdetektoren, da ungewolltes Störlicht von den Materialübergängen
das an den Partikeln gestreute Licht übersteigen könnte. Die elliptische
Detektionsfläche ist in zweimal sieben Segmente unterteilt (siehe Bild 5.6).
Die Geometrie wurde definiert, bevor eine detaillierte Analyse des Systems vollständig
durchgeführt wurde. Dies ist darin begründet, dass die Strahler-Empfänger-Baugruppe
in Kombination mit den FS21-Chips parallel zur Systemanalyse
gefertigt wurde. Um spätere Flexibilität zu haben und die Messung in verschiedenen
Streuwinkelbereichen realisieren zu können, wurden die verschiedenen Detektorsegmente
vorgesehen. Die Suspension wird als Volumenstreuer unter Verwendung
der Mie-Theorie gemäß den Betrachtung in Kapitel 3.3.1 modelliert. Wie in
Abschnitt 3.3.2 beschrieben wurde, wird für die Simulation der Parameter f benötigt,
der aus der Partikelgrößenverteilung abgeleitet wird (vgl. Gleichung 3.30):
f = 3 Φ M
2 ρ
1
x 32
= F Φ M . (5.4)
Die Partikelgrößenverteilungsfunktionen q 0 der Teststäube werden gemäß der
Werte aus Bild 3.2 als Histogramme definiert. Für die angegebene Dichte von
ρ = 2, 65 · 10 6 mg/l und die Sauterdurchmesser aus Tabelle 3.1 ergeben sich für
den Parameter F die in Tabelle 5.4 angegebenen Werte. Die mittleren Streueffizienzen,
die von ASAP mit 100001 Integrationspunkten berechnet werden, sind
1,4872 (fein), 1,5199 (mittel) und 1,5241 (grob) und stimmen damit sehr gut
mit den berechneten Werten aus Tabelle 3.2 überein. Da sich die Streueffizienzen
nur leicht voneinander unterscheiden, hängt µ s hauptsächlich vom Faktor f ab
und dieser ist proportional zum inversen Sauterdurchmesser. Der VCSEL wird