Photonics 2026 – TSTOF-Messverfahren zur Spraycharakterisierung komplexer Fluide wie Lack, Milch, Kaffee, Slurry und mehr

In diesem wissenschaftlichen Artikel [1] haben wir die entscheidenden Unterschiede zwischen dem TSTOF-Messverfahren und anderen laserbasierten Messtechnologien zur Tropfen-, Partikel- und Spraycharakterisierung erörtert.

Der Artikel zeigt die Anwendbarkeit des TSTOF-Verfahrens für die Messung von Lacksprays und Sprays ähnlich komplexer Fluide wie Milch, Kaffee, Slurry, Emulsionen, Suspensionen und partikelbeladenen Flüssigkeiten.

TSTOF bildet die wissenschaftliche und technische Grundlage für mehrere fortschrittliche Mess- und Auswerteansätze, darunter SpraySpy®, SprayQuantAI® und ParticleTensorAI®. SpraySpy® steht für das klassische TSTOF-basierte Messsystem. SprayQuantAI® und ParticleTensorAI® erweitern das Verfahren um eine KI-gestützte Signalauswertung für moderne Spraymessung und Prozessüberwachung.

[1] Schaefer, W., Li, L., Stegmann, P., & Terada, M. (2026). Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics, historical development, and comparison with other laser-based measurement methods. Photonics, 13(1), 56. https://doi.org/10.3390/photonics13010056

TSTOF steht für Time-Shift Time-of-Flight. Das Verfahren analysiert zeitaufgelöste Lichtstreusignale einzelner Tropfen oder Partikel, während diese einen geformten Lichtstrahl durchqueren.

Im Gegensatz zu vielen anderen laserbasierten Messtechnologien kann TSTOF auch in Rückstreugeometrie arbeiten. Lichtquelle und Detektoren können also auf einer Seite der Messposition angeordnet werden. Dadurch eignet sich das Verfahren für Anwendungen mit eingeschränktem optischen Zugang.

Dies ist ein wichtiger Vorteil für die industrielle Spraymessung. Viele reale Prozesse erlauben keinen vollständigen optischen Zugang von verschiedenen Seiten. TSTOF kann daher Messungen in kompakten Aufbauten, dichten Sprays, Beschichtungsprozessen und technischen Sprühkammern unterstützen.

Ein Lackspray ist ein typisches Beispiel für ein Spray aus einem komplexen Fluid. Lacktropfen können Pigmente, Bindemittel, Additive, Lösemittel oder suspendierte Partikel enthalten. Diese Bestandteile beeinflussen das optische Signal und können die Charakterisierung des Sprays mit herkömmlichen Methoden erschweren.

TSTOF kann einzelne Tropfen in einem Lackspray erfassen und ihr zeitaufgelöstes Lichtstreuverhalten analysieren. So lassen sich Tropfengröße, Tropfengeschwindigkeit und weitere Signalmerkmale messen, die mit den optischen und stofflichen Eigenschaften der Tropfen zusammenhängen.

Für Beschichtungsanwendungen sind diese Informationen von großer Bedeutung. Tropfengröße, Geschwindigkeit, Transparenz und Zusammensetzung können Beschichtungsqualität, Farbton, Oberflächenstruktur und Prozessstabilität beeinflussen.

SpraySpy® ist das klassische TSTOF-basierte Messsystem zur Tropfen- und Partikelcharakterisierung. Es unterstützt die optische Spraymessung durch die Auswertung von Lichtstreusignalen einzelner Tropfen oder Partikel.

SprayQuantAI® erweitert den TSTOF-Ansatz um eine KI-gestützte Auswertung für Spray-Monitoring und Tropfenanalyse. Es eignet sich für kompakte optische Messaufbauten und hilft, komplexe Sprayprozesse in Echtzeit zu analysieren.

ParticleTensorAI® nutzt eine tensorbasierte KI-Analyse kontinuierlicher Lichtstreusignale. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für komplexe Sprays, partikelbeladene Tropfen, Slurry-Sprays und materialsensitive Spraydiagnostik.

Zusammen zeigen diese Technologien, wie TSTOF als Plattform für die klassische und die KI-gestützte Spraycharakterisierung eingesetzt werden kann.

Das TSTOF-Messverfahren kann auch die Charakterisierung anderer komplexer Fluide unterstützen. Milchsprays, Kaffeesprays, Slurry-Sprays, Emulsionen und Suspensionen enthalten häufig innere Strukturen oder disperse Phasen. Diese Stoffe können das Lichtstreuverhalten einzelner Tropfen verändern.

Durch die Analyse des vollständigen zeitaufgelösten Signals kann TSTOF Informationen liefern, die über eine einfache Tropfengrößenbestimmung hinausgehen. Damit ist das Verfahren für Lebensmitteltechnik, Beschichtungstechnik, Sprühtrocknung, pharmazeutische Anwendungen, Verbrennungsforschung und industrielle Prozessüberwachung von Nutzen.

Klassische laserbasierte Technologien arbeiten häufig mit Vorwärtsstreuung, Beugung, Phasen-Doppler-Prinzipien oder bildgebenden Verfahren. Diese Methoden sind leistungsfähig, können jedoch an Grenzen stoßen, wenn das Spray dicht, opak, stark streuend oder optisch schwer zugänglich ist.

TSTOF bietet einen ergänzenden Ansatz. Es misst einzelne Tropfen oder Partikel anhand ihrer Lichtstreusignale und kann von einer Seite des Sprays aus arbeiten. Das macht das Verfahren attraktiv für komplexe Sprays und industrielle Messumgebungen.

Das Verfahren ist besonders relevant, wenn Informationen über einzelne Tropfen oder Partikel in einer Strömung benötigt werden. Es kann die Analyse transparenter und nicht transparenter Tropfen, von Partikeln in Sprays sowie komplexer Flüssigkeitssysteme unterstützen.

Moderne Produktionsprozesse erfordern eine zuverlässige Spraycharakterisierung. Dazu gehören Tropfengrößenmessung, Geschwindigkeitsmessung, Partikelcharakterisierung, Materialanalyse und Prozessüberwachung.

TSTOF kann diese Aufgaben in Labor- und Industrieumgebungen unterstützen. Es hilft Forschenden und Ingenieuren zu verstehen, wie Prozessparameter das Sprayverhalten beeinflussen. Zu diesen Parametern können Zerstäubungsdruck, Lenkluft, Düsengeometrie, Materialzusammensetzung, Viskosität und Konzentration gehören.

Bei Lacksprays und anderen komplexen Fluiden können diese Informationen die Prozessentwicklung, die Qualitätskontrolle, die Materialprüfung und das künftige KI-gestützte Spray-Monitoring mit SpraySpy®, SprayQuantAI® und ParticleTensorAI® unterstützen.