BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Durchmessers langgestreckter Gegenstände. Eine beispielsweise Anwendung ist die Messung der Feinheit von Textilfasern oder feinen Fäden.
Seit den Anfängen des Industriezeitalters ist die Kenntnis des Durchmessers, bzw. der Feinheit von Textilfasern als Notwendigkeit anerkannt, da diese physische Eigenschaft einen wichtigen Einfluss auf die Textilverarbeitung und die endgültigen Eigenschaften des Gewebes hat. Als Folge ist der Faserpreis in hohem Mass abhängig von den Abmessungen.
Daher ist es von grosser Wichtigkeit, eine Methode zur genauen Messung des Faserdurchmessers bzw. der sogenannten Feinheit zu finden. Verschiedene Systeme wurden entwickelt, die die mittlere Feinheit von Faserproben messen, doch die meisten leiden an verschiedenen Nachteilen. Einige sind mühsam, zeitaufwendig und fehleran- fällig. Andere erfordern kostspielige Vorrichtungen oder hohe Geschicklichkeit, oder sind von bestimmtem Bedienungspersonal abhängig. Dazu kommt, dass nicht nur die mittlere Feinheit von Faserproben, sondern auch die Verteilung der Feinheitswerte wichtig ist. Aus diesem Grunde wurden während den letzten zehn Jahren viele Anstrengungen zur Entwicklung einer Vorrichtung, welche diese Messung schnell ausführt, geleistet. Zwei solche Systeme, basierend auf optischen Verfahren, sind bekannt.
Die Hauptschwierigkeit bei der Lösung dieses Problems liegt in den kleinen Dimensionen der Gegenstände die zu messen sind, welche sich zwischen wenigen Mikrometern bis zu hundert Mikrometer für die Mehrheit der Textilfasern bewegt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, basierend auf der Beugung von Licht, welche eine schnelle, auch zur Automation geeignete Absolutmessung der Feinheitsverteilung von Textilfasern oder anderen feinen Fäden vornimmt. Das Verfahren ist selbst-kalibrierend, es benötigt keinen Vergleich mit einer durch eine andere Methode gemessenen Eichgrösse. Es erlaubt auch die Messung von feineren Fasern, als dies mit bestehenden, schnell und automatisch messenden Vorrichtungen möglich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird also der Gegenstand, z. B. eine Textilfaser, in den Strahlengang von kohärentem, monochromatischem Licht gebracht und die entstehende Beugungsfigur wird analysiert, um den Durchmesser, bzw. die Feinheit des Gegenstandes zu bestimmen.
Die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Quelle kohärenten, monochromatischen Lichts, wie z. B. einem Laser, aus einem Mittel um die Gegenstände in den Strahlengang der Quelle zu transportieren, aus Mitteln um ein Bild der Beugungsfigur, hervorgerufen durch den Gegenstand, zu erzeugen und aus Mitteln zur Analyse der Beugungsfigur zur Bestimmung der Feinheit.
Das Mittel zur Zuführung der langgestreckten Gegenstände ist vorzugsweise eingerichtet, um eine schnelle Folge von Gegenständen, spezieller eine Folge von Fasern oder Faserfragmenten zuzuführen. Vorteilhaft umfasst es eine im Strahlengang angeordnete durchsichtige Leitung oder optische Zelle, durch welche eine Suspension von Faserfragmenten oder anderen Gegenständen in einem flüssigen Medium geleitet werden kann.
Das Messmittel umfasst vorzugsweise einen optoelektronischen Empfänger oder Wandler, welcher fähig ist, Signale entsprechend der Beugungsfigur, hervorgerufen durch den Gegenstand, zu erzeugen und Mittel, um den sichtbaren Durchmesser des Gegenstandes aus der Beugungsfigur zu errechnen.
Die Erfindung wird genauer beschrieben durch ein Bei- spiel mit Verweis auf die Zeichnungen. Darin zeigten:
Fig. 1 eine Reihe von Funktionen, welche bei der Analyse von Beugungsfiguren von Bedeutung sind;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, welche die Erfindung zum Ausdruck bringt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine abgeänderte Form der Zelle für den Gebrauch in der Vorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie lV-IV;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsversorgungssystems für die Zelle der Fig. 3 und 4;
Fig. 6 und 7 die Beugungsfiguren und Videosignale, die mit der Zelle der Figuren 3 und 4 erhalten werden;
Fig. 8 eine abgeänderte Strahlenfalle, und
Fig. 9 und 10 eine abgeänderte Ausführung der Zelle von Figur 4.
Das Messprinzip der vorliegenden Erfindung liegt in der Erzeugung und Analyse von Beugungsfiguren, welche hervorgerufen werden, wenn ein Gegenstand mit einer Brechungszahl, verschieden von dem ihn umgebenden Medium, in einen Strahl kohärenten, monochromatischen Lichts gebracht wird.
Es ist bekannt, dass wenn ein langgestreckter Gegenstand, von nun an als Faser bezeichnet, in einen Strahl kohärenten Lichts, wie z. B. einen Laserstrahl, dessen Wellenlänge kürzer als die Breite des Gegenstandes ist, gebracht wird, eine Beugungsfigur auf einem Bildschirm beobachtet werden kann, der in Vorwärtsrichtung bezüglich des einfallenden Strahls plaziert ist.
Diese Beugungsfigur liegt senkrecht zur Faserachse und ist symmetrisch zur Strahlachse und zeigt aufeinanderfolgende Maxima und Minima mit Intervallen, die abhängig von der Breite der beugenden Faser sind. Als allgemeine Regel gilt, dass, je feiner die Faser ist, desto grösser sind die Abstände zwischen Maxima und Minima.
Abhängig vom Abstand der beugenden Faser und dem Bildschirm wird das Phänomen allgemein als Fresnel'sche Beugung oder als Fraunhofer'sche Beugung bezeichnet. Im zweiten Fall ist die Beugungsfigur ziemlich einfach: ausser der eigentlichen Mittelzone und vorausgesetzt, dass der Abstand von der Mitte nicht zu gross ist, verhält sich die Intensität der Figur wie (sin ct/a)2, wobei a proportional sowohl zum Abstand von der Mitte als zur Faserbreite ist. Demzufolge sind die Minima Null und der Abstand zwischen ihnen ist konstant (ausgenommen das erste Minimum um die Mitte, für das der Abstand genau doppelt so gross ist). Um Fraunhofer'sche Beugung zu erhalten, muss der Abstand zwischen der Faser und dem Bildschirm sehr gross sein (im Prinzip unendlich).
Der gleiche Effekt kann allerdings bei jedem endlichen Abstand durch Verwendung einer entsprechenden Fokussierungoptik erreicht werden. In diesem Fall wird die beugende Faser vor der Optik und der Schirm hinter der Optik, in einem Abstand entsprechend der Brennweite angeordnet. Der Abstand A zwischen aufeinanderfolgenden Minima ist bezüglich des Faserdurchmessers d völlig beschrieben durch die einfache Formel: A = Fk/d wobei F die Brennweite und Ä die Wellenlänge des Lichts ist.
Die Messung von A ergibt also sofort den Wert von d, vorausgesetzt, dass F und X bekannt sind.
Sowohl Fresnel'sche- wie auch Fraunhofer'sche- Beugung können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, aber die zweite wird vorgezogen, da sich bestimmte Vorteile im Aufbau einer Vorrichtung nach diesem Prinzip ergeben.
Im Fraunhofer Fall mit einer Fokussierungsoptik hängt die Lage und Grösse der Beugungsfigur nicht vom Abstand zwischen Faser und Optik ab. Sie ist auch von einer Deachsierung der Faser im Strahlengang unabhängig. Wenn die Faser in den Strahlengang gebracht wird, erscheint die Figur und bleibt gleich, sogar wenn die Faser sich durch den Strahl bewegt. So ist es möglich, den Durchmesser einer rasch bewegenden Faser zu messen, durch Analyse der fixen Beugungsfigur, vorausgesetzt, die Ausrichtung der Faser ändert sich nicht stark während sie den Strahlengang durchläuft.
In einem schnellen und automatischen System der Probenvorbereitung, wie nachstehend beschrieben, ist es unvermeidlich, dass die Fasern den Strahlengang in fast zufälliger Ausrichtung durchqueren, was auch eine zufällige Ausrichtung der entsprechenden Beugungsfigur bedingt. Demzufolge wird durch diese Erfindung eine bestimmte Methode beschrieben, um die wichtige Information aus einer Beugungsfigur schnell zu gewinnen, unabhängig von der Ausrichtung.
Das Prinzip besteht darin, dass offensichtlich zweidimensionale Bild der Beugungsfigur mit einem optoelektronischen Wandler zu empfangen, das Bild elektronisch zu speichern, es zu verarbeiten um aus dem Speicher eine eindimensionale Information, die die Beugungsfigur darstellt zu entnehmen, und es schlussendlich zu analysieren.
Das Analyseverfahren der verarbeiteten Beugungsfigur ist besonders bei dieser Erfindung. Es basiert auf Spektralanalyse durch Fourier-Transformation. Um die Operation zu verstehen, wird zuerst die ideale Funktion (sin a/a)2 betrachtet, gezeigt bei 1 in Figur 1. Ihre Fourier-Transformation ist die Dreieckfunktion 2 mit einer Eckfrequenz, welche genau den Abstand der Minima in der Originalfunktion entspricht. Wird andererseits die Variation ( I/a)2 genau kompensiert bleibt uns sin2a, was gleich wie eine cos 2a Funktion plus eine Konstante ist, wie bei 3 gezeigt.
Hier zeigt die Fourier-Transformation nur eine Frequenz, welche wieder dem Abstand der Minima entspricht und zusätzlich die Null-Frequenz die der Konstanten entspricht.
In vorliegendem Beispiel wird eine Zwischenlösung erreicht durch entsprechende Filterung bestehend aus einer vollständig undurchsichtigen Mittelzone, um den ständigen, hellen Mittellichtfleck zu entfernen und einem radial ändernden Filter kontinuierlicher Abschwächung das unge fahr die (l/a)2 Änderung kompensiert für den Bereich der zu messenden Faserdurchmesser. Auf diese Art ist die Intensität der Beugungsfigur ähnlich einer sin'a Funktion. mit einem Null-Minimum in der Mitte wie in 5.
Die Fourier-Transformation davon zeigt eine Null-Frequenz Spitze und eine andere Frequenzspitze entsprechend der Distanz der Minima in der Beugungsfigur.
Das Analyseprinzip für die Beugungsfigur hervorgerufen durch eine Faser. besteht also darin die entsprechende Fourier-Transformation zu berechnen und dort die Frequenzspitze zu lokalisieren, welche ihrerseits proportional zum Faserdurchmesser ist. Die Frequenzskala, welche man bei der Fourier-Transformation erhält, entspricht linear einer Faserdurchmesserskala.
Ein Beispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung und ihre Bedienung wird nun bezüglich Figur 2 beschrieben, also nur durch das Beispiel.
Ein Verfahren zur Probenvorbereitung wurde entworfen, das kurze Messzeit und einfache Handhabung erreicht. Der Zweck ist einzelne Fasern von einer Probe von Fasern aufzunehmen und sie eine nach der anderen automatisch durch den Strahlengang des optischen Messsystems zu führen. Eine Probe der zu messenden Fasern besteht aus 10'000 - 30'000 Fasern.
Die bevorzugte Vorbereitung besteht aus folgendem Vorgehen. Die zu messenden Fasern werden mit einem Mikrotom in etwa 1 Millimeter lange Faserstückchen geschnitten. Die Faserstückchen brauchen nicht genau die gleiche Länge zu besitzen, was erlaubt ein einfaches Hand Mikrotom zu verwenden. Die Faserstückchen werden dann in ein Gefäss 7 geschüttet, wo sie mit einem Mixer 9 in einer Flüssigkeit 8 vollständig verteilt werden. Die Flüssigkeit, welche die Stückchen trägt, muss einigen Anforderungen genügen: sie muss klar und transparent sein, weil sie vom Lichtstrahl durchquert wird und sie darf kein Aufquellen der Faserstückchen bewirken, da dies die Durchmessermessung verfälschen würde.
Nachdem die Stückchen verteilt sind, wird der Flüssigkeit erlaubt durch eine Zirkulationseinrichtung zu fliessen, welche eine transparente Leitung 10 beinhaltet. die die Messzelle bildet, welche vom Lichtstrahl 11 durchquert wird wie nachstehend beschrieben. Nach Durchfliessen der Zelle werden die Stückchen in einen Filter 12 herausfiltriert. so dass die Flüssigkeit wiederverwendet und durch Pumpe 13 zurückgepumpt werden kann. Die Flüssigkeitsmenge, die Flussmenge, die Stückchenkonzentration und ihre Länge, die Querschnittsfläche und Form der Zelle, ihre Länge und andere Parameter sollten sorgfältig gewählt werden. so dass die meisten der Stückchen einzeln die Zelle passieren. mit annähernd konstanter Geschwindigkeit, so dass ein ziemlich gleichmässiger Wert für die Anzahl der den Lichtstrahl kreuzenden Stückchen erreicht wird.
Die Zelle kann auch so konstruiert werden um die Flussturbulenz zu verringern. Obwohl keine nötige Eigenschaft, gibt dies den Stückchen eine bevorzugte Ausrichtung beim Durchfliessen der Zelle.
In der bevorzugten Ausführungsart der Vorrichtung basierend auf Fraunhofer'scher Beugung sind die optischen Elemente der Vorrichtung eine Laserlichtquelle 14, die Messzelle 10 und eine Fokussierungsoptik 15, zusammen mit Filtern und einem Bildschirm wie nachstehend beschrieben.
Der Laser sollte mit schwacher Energie (einige Milliwatt) arbeiten, im TEMoo Modus, was die einfachste Intensitätsverteilung im Lichtstrahl ergibt. Die vorstehend erwähnte Messzelle ist im Strahlengang des Laser angeordnet. Vom optischen Gesichtspunkt muss die Zelle aus hochtransparentem Material mit zwei flachen parallelen und feinstpolierten Fenstern zwischen denen die Stückchen fliessen bestehen. Der innere Abstand zwischen den Fenstern beträgt vorzugsweise
1-2 mm.
Die verbleibenden optischen Elemente sind auf der Strahlenachse angeordnet. Die Fokusssierungsoptik 15 ist hinter der Messzelle angeordnet. Um den hellen Mittelpunkt der Beugungsfigur zu entfernen, sollte die Optik eine Strahlenfalle 16 an der Vorderseite aufweisen, bestehend aus einem Strahlenzylinder mit lichtabsorbierendem Boden und Wänden. Diese Anordnung vermeidet Probleme, hervorgerufen durch Vielfachreflexion in der Optik und schützt den optoelektronischen Sensor (nachstehend beschrieben) gegen zu starke Belichtung im Zentrum. Der Abstand zwischen der Messzelle und der Optik ist nicht kritisch, bestimmt aber die Grösse der dunklen Mittelzone in der Beugungsfigur hervorgerufen durch die Strahlenfalle. Deshalb kann er so gewählt werden um die beste Grösse für die dunkle Mittelzone zu ergeben.
Die Brennweite der Optik hängt von den benötigten Abmessungen der Beugungsfigur ab, bestimmt aber auch die Länge des optischen Teils der Vorrichtung. Die typische Brennweite sollte 20-40 cm betragen. Ein Bildschirm 17 ist im Abstand der der Brennweite entspricht hinter der Optik angeordnet. Er besteht aus einem streuenden Material z. B.
Mattglas. Ein Filter 18 ist an seiner Vorderseite angeordnet, welches kontinuierlich zunehmende Durchlässigkeit von der Mitte aus aufweist. Um gute mechanische Stabilität zu erreichen, sollten alle optischen Elemente fest auf einer steifen Grundfläche befestigt sein, vorzugsweise auf einer optischen Bank, was einfache Justierung erlaubt. Wegen der Intensität der Laserlichtquelle braucht die Vorrichtung nicht bei Dunkelheit betrieben zu werden aber reduziertes Umgebungslicht ist wünschbar.
Wenn die fasertragende Flüssigkeitszirkulation in Betrieb ist, wird vorübergehend eine Beugungsfigur 19 auf dem Bildschirm hervorgerufen, jedesmal wenn ein Stückchen den Laserstrahlengang in der Messzelle durchquert. Ein optoelektronischer Wandler wandelt das zweidimensionale auf dem Bildschirm erscheinende Bild in ein zeitveränderliches Signal (Video-Signal). In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist dieser optoelektronische Wandler eine Vidikon-Kamera 20 aber auch andere Kameratypen können verwendet werden, vorausgesetzt ihre Empfindlichkeit ist hoch genug. Die normale Vidikon-Kamera hat den Vorteil geringer Kosten und passender Empfindlichkeit. In der bevorzugten Ausführungsart blickt die Kamera 20 durch ein Objektiv 21 auf den Bildschirm 17. In anderen Ausführungsarten bildet die Kamera-Auftreffplatte den Bildschirm auf dem die Beugungsfigur entsteht.
Die erste Lösung erlaubt grössere Anpassungsfähigkeit bei der Wahl der optischen Parameter. Unter anderem kann eine Irisblende verwendet werden um die Lichtmenge einzustellen die auf die Kamera Auftreffplatte fällt; die Vergrösserung kann durch ändern des Abstandes zwischen Kamera und Bildschirm eingestellt werden, um verschiedene Messbereiche zu ermöglichen. Die zweite Lösung hat den Vorteil der Kompaktheit und Einfachheit und ergibt höhere Empfindlichkeit, da kein Licht durch einen dazwischen angeordneten Bildschirm zerstreut wird.
Wenn eine Kamera verwendet wird, wird das zweidimensionale Bild durch ein Video-Signal dargestellt, dessen Amplitude proportional zur Leuchtkraft des zugehörigen Bildelementes ist, bei zeilenweiser Abtastung des Bildes.
Wegen des Dynamikbereiches des optoelektronischen Wandlers sollte die Änderung der Lichtintensität im Bild nicht zu gross sein. Dies wird durch das vorstehend beschriebene Filter erreicht. Der Bereich der Kamera ist so, dass die ( I/a)2 Änderung in der Figur im Video-Signal nicht kompensiert werden könnte.
Im Fall der Erfindung ist das beobachtete Bild nicht dauerhaft. Die Beugungsfigur erscheint lediglich als ein plötzliches Aufleuchten auf der Kamera-Auftreffplatte wenn ein Stückchen den Laserstrahlengang durchquert. Meistens ist die Zeit während der eine Figur auf dem Schirm bleibt länger als die Abtastzeit der Kamera für die Auftreffplatte. Die Auftreffplatte hat allerdings Speichereigenschaften die bewirken, dass jedes Bildelement in Form einer elektrischen Ladung auf der Auftreffplatte verbleibt bis es durch das Leseelement der Kamera (ein abtastender Elektronenstrahl im Fall des Vidikons) erreicht wird. Die Lokalladungen werden gleichzeitig mit der Erzeugung eines proportionalen Videosignals gelöscht. Demgemäss, wenn eine Figur auftaucht, erscheint ihre Video-Darstellung am Ausgang der Kamera während einer Abtastperiode und verschwindet dann.
Es ist sehr schwierig, die für die Analyse benötigten Rechenoperationen während der Abtastperiode (typisch 20 ms) durchzuführen und deshalb ist eine Art der Video-Signal Speicherung nötig.
In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird ein digitaler Video-Speicher verwendet, um vorerst das zweidimensionale Bild, das die Figur enthält zu speichern. Diese Vorrichtung wandelt das hervortretende Video-Abtastfeld in Echtzeit in digital Form und speichert es in einer grossen Halbleiter-Speicheranordnung. Ist das ganze Bild gespeichert, ist es für die elektronische Schaltung möglich, die wahre Orientierung der Figur zu erkennen und eine eindimensionale Darstellung von ihr zu erzeugen, welche aus einer Reihe von digitalen Werten proportional zur Intensität der Beugungsfigur wie von der Kamera gesehen besteht.
Da die Figurinformation im Speicher digital dargestellt ist, ist die Schaltung zur Entnahme der eindimensionalen Figur eine digitale Einrichtung. In einer möglichen Ausführungsart der Erfindung besteht die Einrichtung aus einer schnellen programmgesteuerten Recheneinheit (ein Mikroprozessor oder ein Mikrokontroller). In einer anderen Ausführungsart der Erfindung besteht sie aus einem Hardwaresystem das speziell zu diesem Zweck entworfen ist. In beiden Fällen muss die Entnahme der Figur so schnell wie möglich geschehen um die höchste Analysenrate für das Messinstrument sicherzustellen. Speziell sollte die Figurentnahmeeinrichtung zu den folgenden Operationen fähig sein:
1. Feststellen des Augenblicks wenn ein Bild der Figur im Speicher steht;
2. Den Speicher während der Entnahmezeit anhalten;
3.
Feststellen, ob das gespeicherte Bild wirklich eine Figur zu einem Faserstückchen ist oder nicht. Wenn das gespeicherte Bild eher zu einem Staubteilchen als zu einem Faserstückchen gehört, zeigt es mehr als eine charakteristische
Figur. Damit die Figur entnahmewürdig für die Figurent nahmeeinrichtung ist, sollte sie wie eine helle Linie mit einigen Leuchtkraftänderungen auf ihrer Achse aussehen.
4. Abtasten des gespeicherten Bildes entlang der Achse der
Figur, wenn der vorstehende Teil bestanden wurde und Aussenden der sukzessiven digitalen Werte die die Figur darstellen zu einem Analyseprozessor.
5. Zurückkehren in den Speichermodus bis der Zustand 1 wieder vorkommt.
Der Analyseprozessor erhält Beugungsfigurdaten in digitaler Form und unterwirft sie einem Spektralanalysealgorithmus. In einer möglichen Ausführungsart der Erfindung wird diese Analyse durch einen digitalen programmgesteuerten Rechner durchgeführt. In einer anderen Ausführungsart der Erfindung besteht der Spektrumanalysator aus einem Hardwaresystem. Die Analysenzeit muss kurz sein, aber sie braucht nicht kürzer als die addierten Zeiten für vollständige Videoabtastung und Figurentnahme zu sein, denn die Beugungsfigurdaten können in einem Zwischenspeicher in oder gerade vor dem Spektrumanalysator gespeichert werden. In einer solchen Anordnung verarbeitet der Spektrumanalysator Daten einer Beugungsfigur, während die Figurentnahmeeinrichtung die nächste Beugungsfigur verarbeitet.
Wenn sowohl die Figurentnahmeeinrichtung und der Spektrumanalysator programmgesteuert arbeiten, können sie im gleichen Rechner implementiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung kann der Analysealgorithmus basierend auf Fourier-Transformation vom Typ der FFT (Fast Fourier Transform) sein. Desweiteren sollte der Spektrumanalysator fähig sein, die Spitzenwerte des Frequenzspektrums zu erkennen und die Null-Frequenz Spitze auszuschliessen. Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Frequenz bei diesem Spitzenwert absolut proportional zum Faserdurchmesser.
Das letzte in der Vorrichtung beteiligte Element ist der Verteilungsanalysator. Sein Zweck ist die Durchmesserwerte zu sammeln und sie in passender Form zu überführen: z. B.
Durchmesserdurchschnitt, Variationskoeffizient, Verteilungshistogramm, Diagramm der kumulativen Verteilung oder Einzelmesswerte. In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung dient dazu ein Digitalrechner. Dieser kann derselbe sein wie für die bereits erwähnte Recheneinheit.
Eine Vorrichtung gemäss vorstehenden Ausführungsarten der Erfindung sollte fähig sein, Durchmesser zwischen 3 und
150 Mikrometern zu messen, was in zwei Messbereiche unterteilt werden kann.
Die Vorrichtung ist schnell, denn sie kann 10'000 bis 30'000 Faserdurchmesser pro Stunde messen.
Sie arbeitet auch automatisch, da Bedienungspersonal nur zum Vorbereiten der Faserstückchen, nicht aber für die Messungen gebraucht wird.
Die mit dieser Vorrichtung vorgenommenen Messungen sind absolut, da die der Beugungsfigur entnommene Information absolut bezogen auf den Faserdurchmesser ist durch ein einfaches physikalisches Gesetz und nur Längenmessungen nötig sind ohne Referenz zu einem anderen Instrument.
Eine alternative Form der Messzelle wird nun beschrieben, in der die transparente Leitung so durch ein weiterentwickeltes Element ersetzt wird.
Bezugnehmend auf Figuren 3 und 4, wird die Fasertransportflüssigkeit durch eine Glaskapillare 102 (Tropfröhre) geführt, welche koaxial in einer zweiten Kapillare 103 der gleichen Art angeordnet ist. Das Ende der ersten Kapillare öffnet sich in die zweite, dort wo diese enger wird. In der zweiten Kapillare fliesst die gleiche Flüssigkeit wie in der ersten, aber ohne in ihr verteilte Faserstückchen. Dieserart, wenn der Fluss von der ersten Kapillare in die zweite Kapillare fliesst, wird er zusammengepresst und zusammengezogen durch die umgebende Flüssigkeit und formt so eine extrem schmale und laminare Strömung 105 im Inneren des
Flusses der zweiten Kapillare. Diese Eigenschaft verbleibt ungeändert weit hinter dem Ende der zweiten Kapillare, wenn die Einrichtung vertikal gehalten wird. Der Effekt wird hydrodynamische Fokussierung genannt.
Die Flüssigkeit der ersten Kapillare, welche die Faserstückchen der Probe transportiert. wird als Probenflüssigkeit bezeichnet, die von der zweiten Kapillare wird als Fokussierungsflüssigkeit bezeichnet.
Die erste Konsequenz der hydrodynamischen Fokussierung ist. dass die Faserstückchen transportiert durch die Probenflüssigkeit gut innerhalb des ganzen Flusses (Proben- und Fokussierungsflüssigkeit) lokalisiert sind auf einer schmalen und stabilen Achse (typische Werte von 100-200 llm Durchmesser für die fokussierte Strömung innerhalb einer Kapillare von 1 bis 1.5 mm Durchmesser werden erhalten).
Eine andere wichtige Folge ist, dass längliche Partikel wie Faserstückchen in der Probenflüssigkeit mit ihrer Achse längs der Strömungsachse ausgerichtet werden, wenn sie in die zweite Kapillare gelangen. Wenn also diese Anordnung in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verwendet wird, sind alle Beugungsfiguren der Faserstückchen senkrecht zur Strömungsachse, wenn die Strömung durch den Laserstrahl geht. Diese Eigenschaft erlaubt eine drastische Vereinfachung der Bildanalyse, da die Ausrichtung aller relevanten Figuren bekannt ist.
Allerdings ist die Beobachtung der Beugungsfiguren mit der eben beschriebenen Einrichtung nicht direkt möglich.
Wenn der Laserstrahl die Strömung passiert, entweder durch die Glasröhre der zweiten Kapillare, oder wenn sie in Luft endet, verwischt von der Glaskapillare oder vom Fluss reflektiertes oder gebrochenes Licht die Beugungsfigur.
Um die Beobachtung der Beugungsfigur einfacher zu machen, weist die Messzelle 101 einen zusätzlichen Teil, bestehend aus einer Leitung 106 auf, in der eine Flüssigkeit identisch zu jener in der zweiten Kapillare fliesst. So tritt der Fluss von der zweiten Kapillare in die gleiche Flüssigkeit ein und alle drei Flüsse bilden ein homogenes Medium, das die Leitung füllt. Die beschriebene Anordnung arbeitet mit vertikaler Strömungsachse. Die Leitung ist in einer ersten horizontalen Richtung durch zwei ebene Wände 107 begrenzt, die sich einander nähern vom oberen zum unteren Ende der Zelle gesehen. Dieses spezielle Profil limitiert den totalen Fluss am Ausgang 108 der Zelle und erhält die laminaren Strömungen nach dem Ende der zweiten Kapillare. In einer zweiten horizontalen Richtung senkrecht zur ersten ist die Leitung durch zwei ebene zueinander parallele Wände 110 begrenzt.
Ein Teil dieser Wände besteht aus zwei ebenen Fenstern 111 von guter optischer Qualität (Planglas), durch welche die optische Beobachtung vorgenommen werden kann.
Die in die Leitung eingeführte Flüssigkeit bildet eine Scheide zwischen dem Fluss aus der zweiten Kapillare und den optischen Fenstern, demgemäss wird sie als Scheideflüssigkeit benannt. Der schmale Laserstrahl, der auf die Messzelle gerichtet ist, durchquert das erste Fenster und das homogene. flüssige Medium und kreuzt die ausgerichteten schnellfliessenden Faserstückchen in diesem Medium. Das gebeugte Licht wird dann durch das zweite Fenster beobachtet.
Es muss beachtet werden, dass die Geschwindigkeit der Faserstückchen beim Austritt aus der zweiten Kapillare sehr hoch ist. Werte um 8 m/sec werden beobachtet bei Fokussierung der Probenflüssigkeit auf 100 pLm Durchmesser.
Um die hydrodynamische Fokussierung zu erreichen und in der Messzelle unverändert aufrechtzuerhalten, muss ein genaues Gleichgewicht der Drücke der drei Flüssigkeiten erreicht werden. Dies kann mit der in Figur 5 gezeigten Hyd raulikeinrichtung geschehen, die als Beispiel gezeigt wird.
Die Hydraulikeinrichtung besteht aus 2 Hauptkreisen, einem für die Probenflüssigkeit und einem für die Fokussierund Scheideflüssigkeit.
Der erste Kreis enthält ein Gefäss 112, gefüllt mit der Flüssigkeit, die die mit einem Mixer 113 gut verteilten Faserstückchen enthält. Die Probenflüssigkeit wird durch eine Pumpe 114 aufgesaugt und in das Gefäss mit einer Gleichdruckeinrichtung 115 zurückgeleitet, die eine vertikale Röhre 116 aufweist, in der die Probenflüssigkeit von unten nach oben fliesst. Der untere Teil 117 dieser Röhre speist die erste Kapillare der Messzelle 101, während der obere Teil 118 zur Luft hin offen ist. Der obere Stand der Proben flüssigkeit ist auf konstanter Höhe 119 und bei Atmosphärendruck.
Dies wiederum bestimmt konstanten Druck am Eingang der ersten Kapillare, in welchem ein Teil der Probenflüssigkeit durch die Schwerkraft nach unten bewegt wird.
Der zweite Kreis versorgt hauptsächlich die Fokussierungsflüssigkeit und die Scheideflüssigkeit. Er besteht aus einem oberen Gefäss 120, gefüllt bis zu einem konstanten Stand 121 mit der Flüssigkeit. Zwei Röhren 122 im Boden des Gefässes 120 speisen die Messzelle mit der Fokussierungsflüssigkeit und der Scheideflüssigkeit. Die Steuerung des Druckes in der Messzelle kann mit den Ventilen 123 in den Röhren 122 geschehen.
Der ganze Fluss der die Messzelle verlässt, wird durch ein Rohr 124 in ein unteres Gefäss 125 geleitet, durch eine Pumpe 126 aufgesaugt, durch ein Filter 127 geführt und in das obere Gefäss 120 zurückgeleitet. Um dort einen konstanten Flüssigkeitsstand zu erreichen, führt eine Überlaufleitung 128 von diesem Gefäss in das untere Gefäss.
Auf diese Weise können die Drücke der drei Flüssigkeiten in der Messzelle konstant gehalten werden, unabhängig von der Menge der Flüssigkeit im Hyraulikkreis.
Dank der Faserausrichtung durch hydrodynamische Fokussierung ergibt sich eine wichtige Modifikation der Elektronik wie nachstehend beschrieben.
Durch vertikale Ausrichtung aller Faserstückchen sind alle entsprechenden Figuren horizontal. Die Ausrichtung der Vidikon-Kamera kann dann so gewählt werden, dass die Beugungsfiguren parallel zu den Abtastlinien liegen. Dadurch kann die Lichtintensitätsverteilung direkt durch Beobachtung des Videosignals entsprechend zu den relevanten Linien gefunden werden.
Allerdings können Beugungsfiguren erscheinen, die nicht horizontal ausgerichtet sind oder die nicht die charakteristische lineare Form haben. Diese Fälle geschehen, wenn Faserstückchen zu stark gebogen sind, was eine Falschausrichtung bewirkt oder wenn zwei Faserstückchen umeinander verdreht sind oder wenn nichtfaserige Partikel (Staub, Unreinheiten) in der Flüssigkeit vorhanden sind. Um diese unwichtigen Bilder zurückzuweisen, ist der Videospeicher mit einem zusätzlichen Teil ausgerüstet (siehe Figuren 6 und 7). Er besteht aus einer elektronischen Schaltung, die erlaubt, zwei rechteckige Zonen 129 in dem zweidimensionalen Bild 130 der Kamera auszuwählen. Die Positionen und die Abmessungen der Rechtecke können eingestellt werden, um sie um die gutausgerichteten Beugungsfiguren 131 zu zentrieren.
Andererseits wird das auf der Kamera-Auffangplatte gelesene Bild in Videosignale umgewandelt, digitalisiert und im Speicher gespeichert, wo es für eine Abtastperiode bleibt und dann durch das nächste Bild ersetzt wird. Ist allerdings die Lichtintensität innerhalb eines der Rechtecke so, dass das entsprechende Videosignal 132 eine gegebene Schwelle 133 übersteigt, wird eine Schaltung aktiviert, die den Speicherungsvorgang am Ende der laufenden Bildabtastung unterbricht und das ganze Bild wird im Speicher festgehalten. Die Höhe der Schwelle 133 ist einstellbar, um die Figuren vom Hintergrund zu unterscheiden. Das Figurenentnahmeverfahren ist dadurch stark vereinfacht, verglichen mit dem vor hergehenden. Das im Speicher gehaltene Bild in digitaler Form zeigt die charakteristischehorizontale Figur 131, die sich über wenige Linien erstreckt.
Die Figurenentnahmeeinrichtung nimmt dann das Durchschnittssignal durch Aufsummieren derjenigen Linien über die sich die Figur erstreckt. Die Anzahl der Linien in der Summe ist auch einstellbar. Das Durchschnittssignal wird dann dem Spektralanalysealgorithmus unterworfen und der Speichermodus des Speichers wiederhergestellt.
Schliesslich kann auch am optischen System eine Verbesserung vorgenommen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die relevanten Bezugsfiguren horizontal ausgerichtet sind, kann eine wirksamere Strahlenfalle verwendet werden, die unabhängig von der Fokussierlinse ist und auf einem vertikalen Support gehalten ist. Sie besteht aus einem kleinen Spiegel 134, der auf einem um 45" geneigten Teil eines Supports 135 befestigt ist. Der horizontal eintreffende Laserstrahl wird auf den Spiegel gerichtet, vertikal reflektiert und dringt in ein hornförmiges Glasrohr 136 ein, das oben auf dem Support 135 angeordnet ist. Dieses Glasrohr ist vorzugsweise aussen schwarz bemalt, so dass der Laserstrahl sich darin durch aufeinanderfolgende innere Reflexion verliert.
Der Hauptvorteil dieses Systems liegt darin, dass es längs der Laserstrahlachse unabhängig von der Fokussierlinse bewegt und entweder zwischen der Messzelle und der Linse oder zwischen der Linse und dem Bildschirm angeordnet werden kann. Auf diese Weise wird eine grosse Flexibilität bei der Wahl der Grösse der zentralen Dunkelzone auf dem Bildschirm erzielt.
Es können verschiedene Messzellenmodelle zur Erzielung der hydrodynamischen Fokussierung verwendet werden.
Anhand der Fig. 9 und 10 sei nun das Beispiel eines sehr einfachen Modelles einer solcher Zelle beschrieben, welche vom oben beschriebenen abweicht. Es besteht zur Hauptsache aus einem Stab 137 aus optischem Glas hoher Qualität mit ebenen Aussenflächen und mit einem Kanal 138 von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt in seinem Zentrum (wie aus Fig. 10 zu entnehmen ist, welche eine Aufsicht auf die Zelle bei weggelassenem Rohr 142 zeigt). Eine typische Grösse für den Querschnitt dieses Kanals beträgt 2 x 2 mm2.
Im oberen Teil der Zelle befindet sich eine Kammer 139 mit kreisrundem Querschnitt, die durch ein seitliches Rohr 140 mit reiner Flüssigkeit versorgt wird. die Übergangszone 141 zwischen der Kammer 139 und dem Kanal 138 kann konisch geformt sein.
Eine Tropfröhre 142 mit einer Kapillare 143 ist am oberen Teil der Kammer 139 derart angeordnet, dass sich das Ende der Kapillare 143 in die Übergangszone 141 öffnet. Die Probenflüssigkeit, welche die Faserstückchen enthält, fliesst durch das obere Rohr 142. Wenn ein geeigneter Druckausgleich in diesem Rohr und in der Kammer 139 erreicht ist, entsteht in der Übergangszone 141 eine hydrodynamische Fokussierung und die fokussierte Strömung bleibt innerhalb des Kanals 138 stabil und laminar. Die fokussierende Flüssigkeit, welche aus dem Rohr 140 kommt, umgibt in dieser Weise die Probeströmung im ebenwandigen Kanal. Im Vergleich mit der oben beschriebenen Fokussierzelle dient in der vorliegenden Konfiguration die Flüssigkeit aus dem Rohr 140 sowohl als fokussierende als auch als Schutzflüssigkeit.
Der Laserstrahl durchquert dann die Zelle 137 und den Kanal 138 senkrecht zur Strömungsachse.
Das vorliegende System ist deshalb einfacher als die oben beschriebenen, weil die Fokussierzellenanordnung viel weniger komplex ausgebildet ist und nur zwei statt drei Flüssigkeitsströmungen erforderlich sind. Die Beeinflussung der Drucke dieser Flüssigkeiten kann durch einen Kreis erreicht werden, der ähnlich aufgebaut ist wie derjenige, welcher bei der vorerwähnten Zelle verwendet wurde. Es hat allerdings eine Begrenzung der Strömung in der Öffnung 144 des Kanals 138 stattzufinden, z. B. mittels einer Gegendruckeinrichtung.
Es sollte bemerkt werden, dass die Ausrichtung der Fasern durch hydrodynamische Fokussierung nur gelingt, wenn die Krümmung der Faserstückchen nicht zu gross ist. Im Falle gekrümmter Fasern müssen die Faserstückchen kurz genug geschnitten werden, um die Krümmung zu reduzieren.
Andererseits dürfen sie nicht zu kurz sein, da der Ausrichtungseffekt nur bei länglichen Partikeln funktioniert.
Ein Kompromiss muss demzufolge gefunden werden, abhängig von der Art der zu messenden Fasern. Die typische optimale Länge beträgt wenige hundert Mikrometer. Für diese Präparation ist es nötig, ein besseres Mikrotom als in der zuerst beschriebenen Ausführungsart zu verwenden.
In dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen wird von Licht gesprochen. Es ist offensichtlich, dass auch ausserhalb des sichtbaren Spektrums vorhandene Wellenlängen von Licht für den Zweck der Erfindung verwendet werden können.
DESCRIPTION
The invention relates to a method for measuring the diameter of elongated objects. An example of an application is the measurement of the fineness of textile fibers or fine threads.
Since the beginning of the industrial age, knowledge of the diameter or of the fineness of textile fibers recognized as a necessity, since this physical property has an important influence on the textile processing and the final properties of the fabric. As a result, the fiber price is highly dependent on the dimensions.
It is therefore of great importance to find a method for the exact measurement of the fiber diameter or the so-called delicacy. Various systems have been developed that measure the mean fineness of fiber samples, but most suffer from various disadvantages. Some are tedious, time consuming and prone to errors. Others require expensive equipment, high skill, or depend on certain operators. In addition, not only the average fineness of fiber samples is important, but also the distribution of the fineness values. For this reason, much effort has been devoted to the development of a device that quickly performs this measurement in the past ten years. Two such systems based on optical methods are known.
The main difficulty in solving this problem lies in the small dimensions of the objects to be measured, which range from a few micrometers to a hundred micrometers for the majority of textile fibers. The present invention relates to an arrangement based on the diffraction of light, which carries out a fast, also suitable for automation, absolute measurement of the fineness distribution of textile fibers or other fine threads. The method is self-calibrating, it does not need a comparison with a calibration variable measured by another method. It also allows the measurement of finer fibers than is possible with existing, fast and automatically measuring devices.
The inventive method is characterized by the features of claim 1. According to the present invention, the object, for. B. a textile fiber, brought into the beam path by coherent, monochromatic light and the resulting diffraction figure is analyzed to determine the diameter or to determine the fineness of the object.
The preferred device for performing the method consists of a source of coherent, monochromatic light, such as. B. a laser, from a means to transport the objects into the beam path of the source, from means to generate an image of the diffraction figure caused by the object, and from means for analyzing the diffraction figure to determine the fineness.
The means for feeding the elongated objects is preferably designed to feed a rapid sequence of objects, more particularly a sequence of fibers or fiber fragments. It advantageously comprises a transparent line or optical cell arranged in the beam path, through which a suspension of fiber fragments or other objects in a liquid medium can be passed.
The measuring means preferably comprises an optoelectronic receiver or transducer which is capable of generating signals corresponding to the diffraction figure caused by the object and means for calculating the visible diameter of the object from the diffraction figure.
The invention is described in more detail by an example with reference to the drawings. It showed:
Fig. 1 shows a number of functions which are important in the analysis of diffraction figures;
Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus which expresses the invention;
Fig. 3 is a cross section through a modified form of the cell for use in the device of FIG. 2;
Fig. 4 shows a section along the line IV-IV;
Fig. 5 shows a schematic illustration of a liquid supply system for the cell of FIG. 3 and 4;
Fig. Figures 6 and 7 show the diffraction figures and video signals obtained with the cell of Figures 3 and 4;
Fig. 8 a modified beam trap, and
Fig. 9 and 10 a modified version of the cell from FIG. 4.
The measuring principle of the present invention lies in the generation and analysis of diffraction figures which are produced when an object with a refractive index different from the medium surrounding it is brought into a beam of coherent, monochromatic light.
It is known that when an elongate object, now referred to as fiber, is emitted into a beam of coherent light, e.g. B. a laser beam whose wavelength is shorter than the width of the object is brought, a diffraction figure can be observed on a screen placed in the forward direction with respect to the incident beam.
This diffraction figure is perpendicular to the fiber axis and is symmetrical to the beam axis and shows successive maxima and minima with intervals that are dependent on the width of the diffractive fiber. As a general rule, the finer the fiber, the greater the distance between maxima and minima.
Depending on the distance of the diffractive fiber and the screen, the phenomenon is commonly referred to as Fresnel diffraction or Fraunhofer diffraction. In the second case, the diffraction figure is fairly simple: except for the actual central zone and provided that the distance from the center is not too great, the intensity of the figure behaves as (sin ct / a) 2, with a proportional to both the distance from the Middle than to the fiber width. As a result, the minima are zero and the distance between them is constant (except for the first minimum around the center, for which the distance is exactly twice as large). In order to obtain Fraunhofer diffraction, the distance between the fiber and the screen must be very large (in principle infinite).
However, the same effect can be achieved at any finite distance by using an appropriate focusing optics. In this case, the diffractive fiber in front of the optics and the screen behind the optics are arranged at a distance corresponding to the focal length. The distance A between successive minima is completely described with respect to the fiber diameter d by the simple formula: A = Fk / d where F is the focal length and Ä is the wavelength of the light.
The measurement of A therefore immediately gives the value of d, provided that F and X are known.
Both Fresnel and Fraunhofer diffraction can be used in the present invention, but the second is preferred because there are certain advantages in constructing a device according to this principle.
In the Fraunhofer case with focusing optics, the position and size of the diffraction figure does not depend on the distance between the fiber and the optics. It is also independent of a deaching of the fiber in the beam path. When the fiber is brought into the beam path, the figure appears and remains the same, even if the fiber moves through the beam. So it is possible to measure the diameter of a rapidly moving fiber by analyzing the fixed diffraction pattern, provided the orientation of the fiber does not change much as it travels through the beam path.
In a fast and automatic sample preparation system, as described below, it is inevitable that the fibers cross the beam path in an almost random orientation, which also requires a random orientation of the corresponding diffraction figure. Accordingly, this invention describes a particular method for quickly extracting the important information from a diffraction figure, regardless of orientation.
The principle is that an obviously two-dimensional image of the diffraction figure is received with an optoelectronic converter, the image is stored electronically, it is processed in order to extract one-dimensional information from the memory, which represents the diffraction figure, and finally it is analyzed.
The method of analysis of the processed diffraction pattern is particular to this invention. It is based on spectral analysis using Fourier transformation. To understand the operation, first consider the ideal function (sin a / a) 2, shown at 1 in Figure 1. Its Fourier transform is the triangular function 2 with a corner frequency which corresponds exactly to the distance between the minima in the original function. On the other hand, if the variation (I / a) 2 is exactly compensated, we have sin2a, which is the same as a cos 2a function plus a constant, as shown at 3.
Here, the Fourier transformation shows only one frequency, which again corresponds to the distance between the minima and additionally the zero frequency, which corresponds to the constant.
In the present example, an interim solution is achieved by appropriate filtering consisting of a completely opaque central zone in order to remove the constant, bright middle light spot and a radially changing filter of continuous attenuation which compensates for the (l / a) 2 change for the range of the measured Fiber diameter. In this way the intensity of the diffraction figure is similar to a sin'a function. with a zero minimum in the middle as in 5.
The Fourier transform thereof shows a zero frequency peak and another frequency peak corresponding to the distance of the minima in the diffraction figure.
The principle of analysis for the diffraction figure caused by a fiber. consists in calculating the corresponding Fourier transform and locating the frequency peak there, which in turn is proportional to the fiber diameter. The frequency scale obtained with the Fourier transformation corresponds linearly to a fiber diameter scale.
An example of a device according to the invention and its operation is now described with reference to FIG. 2, that is to say only by means of the example.
A procedure for sample preparation was designed that achieves short measurement times and easy handling. The purpose is to pick up individual fibers from a sample of fibers and to automatically guide them one by one through the beam path of the optical measurement system. A sample of the fibers to be measured consists of 10,000 - 30,000 fibers.
The preferred preparation consists of the following procedure. The fibers to be measured are cut into pieces of fiber about 1 millimeter long using a microtome. The fiber pieces do not need to be exactly the same length, which allows a simple hand microtome to be used. The fiber pieces are then poured into a vessel 7, where they are completely distributed in a liquid 8 using a mixer 9. The liquid that carries the pieces has to meet some requirements: it must be clear and transparent because it is traversed by the light beam and it must not cause the fiber pieces to swell, since this would distort the diameter measurement.
After the pieces are distributed, the liquid is allowed to flow through a circulation device which includes a transparent line 10. which forms the measuring cell, which is traversed by the light beam 11 as described below. After flowing through the cell, the pieces are filtered out into a filter 12. so that the liquid can be reused and pumped back by pump 13. The amount of liquid, the amount of flow, the particle concentration and its length, the cross-sectional area and shape of the cell, its length and other parameters should be carefully chosen. so that most of the pieces pass the cell individually. at an approximately constant speed, so that a fairly uniform value for the number of pieces crossing the light beam is achieved.
The cell can also be designed to reduce river turbulence. Although not a necessary property, this gives the pieces a preferred orientation when flowing through the cell.
In the preferred embodiment of the device based on Fraunhofer diffraction, the optical elements of the device are a laser light source 14, the measuring cell 10 and focusing optics 15, together with filters and a screen as described below.
The laser should work with weak energy (a few milliwatts) in TEMoo mode, which gives the simplest intensity distribution in the light beam. The measuring cell mentioned above is arranged in the beam path of the laser. From an optical point of view, the cell must be made of highly transparent material with two flat, parallel and finely polished windows between which the pieces flow. The inner distance between the windows is preferably
1-2 mm.
The remaining optical elements are arranged on the beam axis. The focusing optics 15 is arranged behind the measuring cell. In order to remove the bright center of the diffraction figure, the optics should have a radiation trap 16 on the front, consisting of a radiation cylinder with a light-absorbing base and walls. This arrangement avoids problems caused by multiple reflection in the optics and protects the optoelectronic sensor (described below) against excessive exposure in the center. The distance between the measuring cell and the optics is not critical, but determines the size of the dark central zone in the diffraction figure caused by the beam trap. Therefore, it can be chosen to give the best size for the dark central zone.
The focal length of the optics depends on the required dimensions of the diffraction figure, but also determines the length of the optical part of the device. The typical focal length should be 20-40 cm. A screen 17 is arranged at a distance corresponding to the focal length behind the optics. It consists of a scattering material such. B.
Ground glass. A filter 18 is arranged on its front side, which has continuously increasing permeability from the center. In order to achieve good mechanical stability, all optical elements should be firmly attached to a rigid base, preferably on an optical bench, which allows easy adjustment. Because of the intensity of the laser light source, the device need not be operated in the dark, but reduced ambient light is desirable.
When the fiber-carrying liquid circulation is in operation, a diffraction pattern 19 is temporarily created on the screen each time a piece crosses the laser beam path in the measuring cell. An optoelectronic converter converts the two-dimensional image appearing on the screen into a time-varying signal (video signal). In a preferred embodiment of the invention, this optoelectronic converter is a vidicon camera 20, but other types of cameras can also be used, provided their sensitivity is high enough. The normal Vidikon camera has the advantage of low cost and suitable sensitivity. In the preferred embodiment, the camera 20 looks at the screen 17 through a lens 21. In other embodiments, the camera target forms the screen on which the diffraction figure is created.
The first solution allows greater flexibility in the choice of optical parameters. Among other things, an iris diaphragm can be used to adjust the amount of light that falls on the camera target; the magnification can be adjusted by changing the distance between the camera and the screen to enable different measuring ranges. The second solution has the advantage of compactness and simplicity and results in higher sensitivity since no light is scattered by a screen arranged in between.
If a camera is used, the two-dimensional image is represented by a video signal, the amplitude of which is proportional to the luminosity of the associated picture element, with line-by-line scanning of the image.
Because of the dynamic range of the optoelectronic converter, the change in the light intensity in the image should not be too great. This is achieved by the filter described above. The area of the camera is such that the (I / a) 2 change in the figure in the video signal could not be compensated for.
In the case of the invention, the observed image is not permanent. The diffraction figure only appears as a sudden glow on the camera target when a piece crosses the laser beam path. Most of the time the time a figure stays on the screen is longer than the scan time of the camera for the target. However, the impact plate has storage properties which cause each pixel in the form of an electrical charge to remain on the impact plate until it is reached by the reading element of the camera (a scanning electron beam in the case of the video icon). The local loads are deleted simultaneously with the generation of a proportional video signal. Accordingly, when a figure appears, its video representation appears at the output of the camera during a scanning period and then disappears.
It is very difficult to carry out the arithmetic operations required for the analysis during the sampling period (typically 20 ms) and therefore a type of video signal storage is necessary.
In a preferred embodiment of the invention, a digital video memory is used to initially store the two-dimensional image that contains the figure. This device converts the emerging video scanning field into digital form in real time and stores it in a large semiconductor memory device. Once the entire image has been stored, it is possible for the electronic circuit to recognize the true orientation of the figure and produce a one-dimensional representation of it, which consists of a series of digital values proportional to the intensity of the diffraction figure as seen by the camera.
Since the figure information is represented digitally in the memory, the circuit for extracting the one-dimensional figure is a digital device. In one possible embodiment of the invention, the device consists of a fast program-controlled computing unit (a microprocessor or a microcontroller). In another embodiment of the invention, it consists of a hardware system specially designed for this purpose. In both cases, the figure must be removed as quickly as possible to ensure the highest analysis rate for the measuring instrument. In particular, the figure extraction device should be capable of the following operations:
1. Determining the moment when an image of the character is in memory;
2nd Stop the storage during the withdrawal time;
3rd
Determine whether or not the saved image is really a piece of fiber. If the stored image belongs to a dust particle rather than a fiber piece, it shows more than one characteristic
Figure. So that the figure is worthy of removal for the figure removal device, it should look like a light line with some changes in luminosity on its axis.
4th Scanning the stored image along the axis of the
Figure when the above part has been passed and send the successive digital values representing the figure to an analysis processor.
5. Return to storage mode until state 1 occurs again.
The analysis processor receives diffraction figure data in digital form and subjects it to a spectral analysis algorithm. In one possible embodiment of the invention, this analysis is carried out by a digital program-controlled computer. In another embodiment of the invention, the spectrum analyzer consists of a hardware system. The analysis time must be short, but it need not be shorter than the added times for complete video scanning and figure extraction, because the diffraction figure data can be stored in a buffer in or just in front of the spectrum analyzer. In such an arrangement, the spectrum analyzer processes data of one diffraction figure, while the figure extraction device processes the next diffraction figure.
If both the figure extraction device and the spectrum analyzer are program-controlled, they can be implemented in the same computer. In a preferred embodiment of the invention, the analysis algorithm based on Fourier transform can be of the FFT (Fast Fourier Transform) type. Furthermore, the spectrum analyzer should be able to recognize the peak values of the frequency spectrum and to exclude the zero frequency peak. According to the above explanations, the frequency at this peak value is absolutely proportional to the fiber diameter.
The last element involved in the device is the distribution analyzer. Its purpose is to collect the diameter values and to transfer them in a suitable form: e.g. B.
Average diameter, coefficient of variation, distribution histogram, diagram of the cumulative distribution or individual measurements. In a preferred embodiment of the invention, a digital computer is used for this. This can be the same as for the computing unit already mentioned.
A device according to the above embodiments of the invention should be able to have diameters between 3 and
150 micrometers to measure, which can be divided into two measuring ranges.
The device is fast because it can measure 10,000 to 30,000 fiber diameters per hour.
It also works automatically, since operators are only used to prepare the fiber pieces, but not for the measurements.
The measurements made with this device are absolute, since the information taken from the diffraction figure is absolutely related to the fiber diameter due to a simple physical law and only length measurements are necessary without reference to another instrument.
An alternative form of the measuring cell is now described, in which the transparent line is replaced by a further developed element.
3 and 4, the fiber transport liquid is passed through a glass capillary 102 (drip tube) which is arranged coaxially in a second capillary 103 of the same type. The end of the first capillary opens into the second, where it narrows. The same liquid flows in the second capillary as in the first, but without any pieces of fiber distributed in it. In this way, when the flow flows from the first capillary into the second capillary, it is compressed and contracted by the surrounding liquid, thus forming an extremely narrow and laminar flow 105 inside the
Flow of the second capillary. This property remains unchanged far behind the end of the second capillary when the device is held vertically. The effect is called hydrodynamic focusing.
The liquid of the first capillary, which transports the fiber pieces of the sample. is referred to as the sample liquid, that of the second capillary is referred to as the focusing liquid.
The first consequence of hydrodynamic focusing is. that the fiber pieces transported by the sample liquid are well localized within the entire flow (sample and focusing liquid) on a narrow and stable axis (typical values of 100-200 llm diameter for the focused flow within a capillary from 1 to 1. 5 mm diameter are obtained).
Another important consequence is that elongated particles such as fiber pieces in the sample liquid are aligned with their axis along the flow axis when they enter the second capillary. Thus, when this arrangement is used in the device described above, all the diffraction patterns of the fiber pieces are perpendicular to the flow axis when the flow passes through the laser beam. This property allows a drastic simplification of the image analysis, since the alignment of all relevant figures is known.
However, the observation of the diffraction figures is not directly possible with the device just described.
When the laser beam passes through the flow, either through the glass tube of the second capillary, or when it ends in air, the diffraction figure is blurred by the glass capillary or light reflected or refracted by the flow.
In order to make it easier to observe the diffraction figure, the measuring cell 101 has an additional part, consisting of a line 106, in which a liquid flows identically to that in the second capillary. The flow from the second capillary enters the same liquid and all three flows form a homogeneous medium that fills the line. The arrangement described works with a vertical flow axis. The conduit is delimited in a first horizontal direction by two flat walls 107 which are seen to be closer to each other from the top to the bottom of the cell. This special profile limits the total flow at the exit 108 of the cell and maintains the laminar flows after the end of the second capillary. In a second horizontal direction perpendicular to the first, the line is delimited by two flat walls 110 which are parallel to one another.
Part of these walls consists of two flat windows 111 of good optical quality (plane glass) through which the optical observation can be carried out.
The liquid introduced into the line forms a sheath between the flow from the second capillary and the optical windows, accordingly it is called the sheath fluid. The narrow laser beam directed at the measuring cell crosses the first window and the homogeneous one. liquid medium and crosses the aligned, fast-flowing fiber pieces in this medium. The diffracted light is then observed through the second window.
It should be noted that the speed of the fiber pieces when they exit the second capillary is very high. Values around 8 m / sec are observed when the sample liquid is focused on 100 pLm diameter.
In order to achieve hydrodynamic focusing and maintain it unchanged in the measuring cell, an exact balance of the pressures of the three liquids must be achieved. This can be done with the hydraulic device shown in FIG. 5, which is shown as an example.
The hydraulic system consists of 2 main circuits, one for the sample liquid and one for the focusing and cutting liquid.
The first circle contains a vessel 112 filled with the liquid which contains the fiber pieces that are well distributed with a mixer 113. The sample liquid is sucked up by a pump 114 and returned to the vessel with a constant pressure device 115, which has a vertical tube 116, in which the sample liquid flows from the bottom to the top. The lower part 117 of this tube feeds the first capillary of the measuring cell 101, while the upper part 118 is open to the air. The upper level of the sample liquid is at a constant height 119 and at atmospheric pressure.
This in turn determines constant pressure at the entrance of the first capillary, in which part of the sample liquid is moved downwards by gravity.
The second circuit mainly supplies the focusing fluid and vaginal fluid. It consists of an upper vessel 120, filled to a constant level 121 with the liquid. Two tubes 122 in the bottom of the vessel 120 feed the measuring cell with the focusing fluid and the vaginal fluid. The pressure in the measuring cell can be controlled with the valves 123 in the tubes 122.
The entire flow leaving the measuring cell is passed through a pipe 124 into a lower vessel 125, sucked up by a pump 126, passed through a filter 127 and returned to the upper vessel 120. In order to achieve a constant liquid level there, an overflow line 128 leads from this vessel into the lower vessel.
In this way, the pressures of the three liquids in the measuring cell can be kept constant, regardless of the amount of liquid in the hydraulic circuit.
Thanks to the fiber alignment through hydrodynamic focusing, there is an important modification of the electronics as described below.
Due to the vertical alignment of all fiber pieces, all corresponding figures are horizontal. The orientation of the Vidikon camera can then be chosen so that the diffraction figures are parallel to the scan lines. As a result, the light intensity distribution can be found directly by observing the video signal corresponding to the relevant lines.
However, diffraction figures may appear that are not aligned horizontally or that do not have the characteristic linear shape. These cases occur when pieces of fiber are bent too much, causing misalignment, or when two pieces of fiber are twisted around each other, or when non-fibrous particles (dust, impurities) are present in the liquid. In order to reject these unimportant images, the video memory is equipped with an additional part (see FIGS. 6 and 7). It consists of an electronic circuit that allows two rectangular zones 129 to be selected in the two-dimensional image 130 of the camera. The positions and dimensions of the rectangles can be adjusted to center them around the well-aligned diffraction figures 131.
On the other hand, the image read on the camera interception plate is converted into video signals, digitized and stored in the memory, where it remains for one scanning period and is then replaced by the next image. However, if the light intensity within one of the rectangles is such that the corresponding video signal 132 exceeds a given threshold 133, a circuit is activated which interrupts the storage process at the end of the current image scan and the entire image is held in memory. The height of the threshold 133 is adjustable to distinguish the figures from the background. The figure extraction process is greatly simplified compared to the previous one. The image held in memory in digital form shows the characteristic horizontal figure 131, which extends over a few lines.
The figure extracting device then takes the average signal by summing up the lines over which the figure extends. The number of lines in total is also adjustable. The average signal is then subjected to the spectral analysis algorithm and the storage mode of the memory is restored.
Finally, an improvement can also be made to the optical system. Due to the fact that the relevant reference figures are aligned horizontally, a more effective beam trap can be used, which is independent of the focusing lens and is held on a vertical support. It consists of a small mirror 134 which is attached to a part 135 of a support 135 which is inclined by 45 ". The horizontally arriving laser beam is directed onto the mirror, reflected vertically and penetrates into a horn-shaped glass tube 136 which is arranged on top of the support 135. This glass tube is preferably painted black on the outside, so that the laser beam is lost in it by successive internal reflection.
The main advantage of this system is that it moves along the laser beam axis independently of the focusing lens and can be placed either between the measuring cell and the lens or between the lens and the screen. In this way, great flexibility in the choice of the size of the central dark zone on the screen is achieved.
Different measuring cell models can be used to achieve hydrodynamic focusing.
Using the Fig. 9 and 10, the example of a very simple model of such a cell, which differs from the one described above, will now be described. It mainly consists of a rod 137 made of high quality optical glass with flat outer surfaces and with a channel 138 of square or rectangular cross section in its center (as shown in Fig. 10, which shows a top view of the cell with the tube 142 omitted). A typical size for the cross section of this channel is 2 x 2 mm2.
In the upper part of the cell there is a chamber 139 with a circular cross section, which is supplied with pure liquid through a lateral tube 140. the transition zone 141 between the chamber 139 and the channel 138 can be conical.
A drip tube 142 with a capillary 143 is arranged on the upper part of the chamber 139 such that the end of the capillary 143 opens into the transition zone 141. The sample liquid, which contains the fiber pieces, flows through the upper tube 142. When a suitable pressure equalization is achieved in this tube and in the chamber 139, hydrodynamic focusing occurs in the transition zone 141 and the focused flow remains stable and laminar within the channel 138. The focussing liquid that comes out of the tube 140 thus surrounds the sample flow in the flat-walled channel. In comparison to the focusing cell described above, in the present configuration the liquid from the tube 140 serves both as a focusing and as a protective liquid.
The laser beam then traverses cell 137 and channel 138 perpendicular to the flow axis.
The present system is simpler than that described above because the focusing cell arrangement is much less complex and only two instead of three liquid flows are required. The influencing of the pressures of these liquids can be achieved by a circle, which is constructed similarly to that which was used in the aforementioned cell. However, there has to be a restriction of the flow in the opening 144 of the channel 138, e.g. B. by means of a counter pressure device.
It should be noted that the alignment of the fibers by hydrodynamic focusing is only successful if the curvature of the fiber pieces is not too great. In the case of curved fibers, the fiber pieces must be cut short enough to reduce the curvature.
On the other hand, they must not be too short, since the alignment effect only works with elongated particles.
A compromise must therefore be found depending on the type of fibers to be measured. The typical optimal length is a few hundred micrometers. For this preparation it is necessary to use a better microtome than in the embodiment described first.
In this description and in the claims, light is spoken of. It is obvious that wavelengths of light which are present outside the visible spectrum can also be used for the purpose of the invention.