ACHEMA 2012 – TSTOF喷雾测量技术首次公开亮相

在美因河畔法兰克福举行的ACHEMA 2012上，达姆施塔特工业大学的研究人员展示了一种用于测量流动中单个液滴和颗粒粒径及速度的全新光学方法。该测量技术于2012年6月18日至22日在9.2号馆A66展位进行了演示。

此次展会标志着基于时移飞行时间技术（简称TSTOF）的可运行测量仪器首次公开亮相。早期原型源自Walter Schäfer在达姆施塔特工业大学流体力学与空气动力学研究所与Cameron Tropea教授共同开展的博士研究。这项研究后来成为ai-quanton发展及其后续光学喷雾测量系统的重要技术基础。

ACHEMA是化学工程、过程技术、生物技术、实验室设备、仪器仪表、自动化以及工业生产技术领域的国际展会和大会，汇聚了研究人员、设备制造商、工程师、工厂运营商和工业决策者。

第30届ACHEMA于2012年6月18日至22日在法兰克福展览中心（Messe Frankfurt）举行。在为期五天的活动中，约167,000名参会者参观了来自56个国家的3,773家企业和研究机构的展品。展商共占用约136,400平方米的展览面积。（DECHEMA）

本届展会展示的技术涵盖从实验室仪器和分析设备到完整的工业装置、过程自动化、泵、包装系统和安全技术等领域。能源效率和生物经济是2012年展会的重要主题。

ACHEMA始终将工业展会与学术大会相结合，因此为新测量方法从高校研究向实际工业应用转化提供了合适的平台。官方历史回顾还特别强调了ACHEMA 2012上互动式和动手体验类展品的重要性。

达姆施塔特工业大学展示的测量仪器解决了喷雾和颗粒诊断中的一个核心问题：对不完全透明的单个颗粒进行可靠测量。

许多成熟的光学仪器在测量清澈、均质的液滴时表现良好。然而，当被测液滴含有以下成分时，测量结果可能不可靠：

• 固体颗粒；
• 颜料；
• 乳化物质；
• 悬浮颗粒；
• 强吸收性成分；
• 多种不同的相。

研究团队对时移法进行了扩展，使其能够评估来自不透明颗粒以及含有悬浮液或乳液的液滴的光散射信号。

TSTOF是Time-Shift Time-of-Flight（时移飞行时间）的缩写。它是一种光学测量原理，用于表征穿过特定测量体积的单个液滴或颗粒。

具有特定空间强度分布的聚焦光片照亮测量区域。当液滴穿过光片时，会将光散射至一个或多个光学探测器。

探测器将变化的光强记录为时间分辨信号。信号特征的位置、顺序、宽度和形状包含有关液滴及其运动的信息。

根据光学配置和评估方法的不同，系统可以测定以下参数：

• 颗粒或液滴粒径；
• 颗粒或液滴速度；
• 粒径分布；
• 速度分布；
• 液滴速率；
• 液滴的光学特性；
• 折射率。

该方法分析单个颗粒事件，因此能够在保留每个被探测液滴信息的同时提供统计分布。

经过整形的照明在记录的光散射信号中形成特征峰。

液滴穿过光片特定区域所需的时间提供了其速度的信息。同时，特征散射之间的时间间隔可以提供颗粒或液滴直径的信息。

由于系统评估的是随时间变化的信号，而不仅仅是单一强度值，因此能够利用更多可用的光学信息。

这一方法也为进一步的统计分析和现代机器学习方法奠定了基础。不过，在ACHEMA 2012上，重点在于光散射信号的物理解释以及测量仪器的实际实现。

所展示开发成果的一个重要特点是能够处理来自光学复杂颗粒的信号。

悬浮液中含有分散在液体中的固体物质；乳液包含两种或多种不能完全混合的液相；涂料液滴则可能含有颜料、粘结剂、溶剂及其他成分。

这些物质会改变光在液滴中的传播和散射方式。因此，所产生的信号可能与清澈水滴产生的信号存在显著差异。

即使颗粒或液滴并非完全透明，新方法也能利用所记录的信号特征获得可靠的粒径和速度信息，从而拓展了潜在的工业应用范围。

该光学系统既可采用前向散射配置，也可采用后向散射配置运行。

在前向散射装置中，探测器观测的主要是沿激光束原始方向穿过颗粒或绕过颗粒传播的光。

后向散射装置探测的是向照明光源一侧散射回来的光。这种配置具有重要的实际优势，因为照明和探测组件可以大致位于工艺过程的同一侧工作。

因此，测量探头可以适应不同的安装条件，包括光学通道受限的系统。可在前向散射和后向散射配置之间进行选择，这使该技术既能用于实验室实验，也能用于工业环境。

相关研究进展也使仪器能够以更紧凑的形式实现。

更小巧的测量系统具有多方面优势：

• 更易于安装到现有试验台中；
• 减少光路校准工作量；
• 降低硬件成本；
• 缩短光程；
• 可灵活布置在喷雾附近；
• 更适合工业测量。

ACHEMA上的展示表明，先进的光学液滴分析并不一定需要庞大而高度复杂的实验室装置。根据最初的活动介绍，紧凑配置还旨在降低所需的投资成本。

研究团队还研究了该仪器能否测定单个液滴或颗粒的相对折射率。

折射率描述了光在材料中的传播方式，它会影响特征散射的位置和强度。因此，折射率信息有助于区分不同的材料或相。

使用两个探测器可提供冗余的光学信息。在同时考虑颗粒粒径和速度的情况下，这些额外信息有助于估算折射率。

早期研究中提到的一个潜在应用是在混合结冰条件下区分水滴和冰晶。二者可能同时出现在大气或空气动力学实验中，但其光学特性不同。

喷雾干燥是将液体进料雾化到热气流中，从而将其转化为干燥颗粒的过程。

液滴粒径和速度会影响：

• 干燥时间；
• 蒸发速率；
• 最终颗粒粒径；
• 产品含水率；
• 停留时间；
• 团聚；
• 工艺效率。

此外，喷雾干燥的进料通常由乳液或悬浮液组成。因此，能够分析复杂液滴的测量方法在工艺开发和监测方面具有明显优势。

ACHEMA 2012上的展示将喷雾干燥确定为这项新测量技术的主要工业应用领域之一。

在涂装和涂层工艺中，液滴粒径和速度会影响涂层材料到达表面并与表面相互作用的方式。

相关影响包括：

• 传递效率；
• 过喷；
• 涂层均匀性；
• 表面质量；
• 成膜；
• 边缘覆盖；
• 材料消耗。

由于颜料和其他成分会吸收和散射光，涂料液滴通常难以测量。因此，能够评估不透明和非均质液滴，为真实涂料喷雾的光学表征开辟了新的可能性。

食品工业中的许多产品由乳液或悬浮液组成，例如牛奶、奶油、风味乳液、液体浓缩物以及含颗粒的混合物。

在雾化过程中，单个液滴的特性会影响干燥、包衣、包埋、混合以及最终产品质量。

ACHEMA 2012上展示的技术旨在测量此类液滴，而无需它们表现得像理想的透明液体。因此，食品工业是该技术的另一个潜在应用领域。

ACHEMA上的展示表明，在高校研究中开发的光学测量原理可以逐步发展为工业仪器。

其主要优势包括：

• 非接触式测量；
• 同时分析粒径和速度；
• 探测单个液滴；
• 适用于不透明材料；
• 前向散射和后向散射配置；
• 紧凑的仪器设计；
• 可估算折射率；
• 可灵活调整的光学和电子组件。

这些特性使该技术不仅适用于科学实验，也适用于工艺开发、质量控制和工业监测。

首台原型诞生于2008年至2012年间开展的博士研究。它在ACHEMA 2012上的亮相，使TSTOF方法首次面向来自过程工业的大量国际观众。

2013年，ai-quanton作为达姆施塔特工业大学的衍生企业成立。进一步的研发催生了新的仪器、信号处理方法、专利以及AI辅助分析方法。

后来的系统将TSTOF测量原理与以下技术相结合：

• 改进的光学探头；
• 紧凑型电子装置；
• 更快的数据采集；
• 自动化信号分析；
• 统计评估；
• 机器学习模型。

物理测量过程仍以探测时间分辨光散射信号为基础。如今使用的产品和技术名称描述的是后来的发展成果，不应与其所依据的光学原理相混淆。

ACHEMA 2012是学术研究与工业应用之间的一个重要转折点。

借助这次展会，研究人员得以证明这一新测量方法不仅能分析理想的透明液滴，还能应对悬浮液、乳液、含颜料材料以及其他光学复杂的颗粒体系。

在全球规模最大的过程工业展会之一上展示原型，使研究人员能够与来自喷雾干燥、涂装技术、食品生产、化学工程和过程测量领域的潜在用户直接接触。

因此，ACHEMA 2012成为TSTOF测量技术发展史以及ai-quanton后续发展中的一个早期里程碑。