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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Volumenbestimmung von kleinen
bewegten kugelförmigen
Objekten, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Zur
Detektion und Zählung
von beweglichen Objekten werden häufig Lichtschranken eingesetzt. Käuflich zu
erwerbende Lichtschranken ohne strahlformende Zusatzoptiken haben
zu große
Messvolumen, das heißt
einen Strahlengang mit zu großem Durchmesser,
um einzelne, sehr kleine Objekte bei großer Wiederholrate und geringem
Objektabstand zu detektieren. Eine Auswerteelektronik bewertet die Signaländerungen
der Lichtschranke beim Passieren eines Objekts und erkennen so die
Objekte. Aber gerade bei sehr kleinen Objekten führen Umwelteinflüsse, elektrische
Störungen
und Einschwingvorgänge zu
Fehldetektionen, da das vom Lichtempfänger aufgenommene Signal im
Vergleich zu den Störsignalen sehr
klein ist.
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Die
auf den selben Anmelder zurückgehende,
nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung Nr. 103 38 108.2 beschreibt eine Vorrichtung und
ein Verfahren, mit dem sich kleine Objekte, insbesondere Flüssigkeitstropfen,
mit Abmessungen im sub-mm Bereich sicher detektieren und zählen lassen.
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Die
Offenbarung der
DE 103 38 108.2 wird hiermit
vollinhaltlich in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung aufgenommen.
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Bei
manchen Anwendungen, z.B. bei einem Dosieren eines bestimmten Flüssigkeitsvolumens mittels
eines sogenannten Mikrodispensers müssen diese Tropfen nicht nur
gezählt
sondern auch ihr Volumen bestimmt werden. Soll z. B. ein bestimmtes Volumen
dosiert werden, so erhält
man das Gesamtvolumen der Tropfen, indem man die Anzahl der Tropfen
zählt und
mit dem (vorher bestimmten) Volumen eines einzelnen Tropfens multipliziert.
Es zeigt sich jedoch in der Praxis, das die von einem Mikrodispenser
abgegebenen Tropfen nicht immer den gleichen Durchmesser aufweisen,
so dass das mit einem solchen Verfahren errechnete Gesamtvolumen
relativ ungenau sein kann. Es liegt auf der Hand, dass das bekannte
Verfahren zur Volumenbestimmung verbessert werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das
eine genaue Detektion und Volumenbestimmung von kleinen bewegten etwa
kugelförmigen
Objekten ermöglicht.
Das gemessene Volumen mehrerer einzelner Objekte soll zu einem Gesamtvolumen
aufsummierbar sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren bewegen sich die Objekte durch den Strahlengang
einer mindestens einen Lichtsender und mindestens einen Lichtempfänger umfassenden
Lichtschranke, und mittels einer Auswerteelektronik wird eine durch
die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung
der Lichtintensität
am Lichtempfänger
erfasst und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor einem Messvorgang
die Amplitude des elektrischen Messsignals auf ein zuvor ermitteltes
durchschnittliches Normvolumen der Objekte kalibriert wird, und
beim Messvorgangs anhand einer Veränderung der Amplitude des Messsignals
das Volumen des jeweils vermessenen Objekts ermittelt wird.
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Durch
die Kalibrierung der Messanordnung auf ein bestimmtes Normvolumen
der Objekte ist zum einen sichergestellt, dass die Empfindlichkeit der
Messanordnung, das heißt
der Messbereich und die Signalverstärkung, automatisch immer auf
einen bestmöglichen
Wert eingestellt ist.
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Zum
anderen ergibt sich der weitere Vorteil, dass aktuelle Störeinflüsse aufgrund
der Umgebungsbedingungen durch die automatische Kalibrierung ausgeblendet
werden.
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Durch
die Kalibrierung auf ein Normvolumen kann das eigentliche Volumen
eines Objekts anhand der Abschattung des Lichtstroms der Lichtschranke durch
die Querschnittsfläche
des Objekts relativ genau ermittelt werden.
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In
der Regel wird die Volumenbestimmung über eine Vielzahl von Objekten
durchgeführt,
wobei die Volumina aller vermessenen Objekte in der Auswertelektronik
zu einem Gesamtvolumen aufsummiert werden.
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In
bevorzugter Weise erfolgt die Kalibrierung der Messanordnung durch
eine vom Lichtsender erzeugte, definierte Änderung des Lichtstromes, die
einer Änderung
der Amplitude des vom Lichtempfänger
gemessenen Signals und damit einer bestimmten Schattenfläche entspricht.
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Ein
anwendungsbezogenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Aus
den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Blockdarstellung einer zur Durchführung des
Verfahrens geeigneten Detektionsvorrichtung;
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2 zeigt
schematisch ein den Strahlengang der Lichtschranke passierendes
Objekt 11 und den entsprechenden Verlauf des Messsignals über der
Zeit.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Zur
Detektion und Volumenbestimmung von Objekten kann grundsätzlich die
in der Patentanmeldung
DE 103
38 108.2 beschriebene Vorrichtung dienen. Eine mögliche Anwendung
der Erfindung liegt im Zählen
von Flüssigkeitstropfen,
insbesondere Tropfen mit einem Durchmesser im sub-mm Bereich.
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Wie
man in 1 erkennt, umfasst diese Vorrichtung einen Lichtsender 1,
z.B. eine Leuchtdiode oder Laserdiode, die von einem Treiber 2 angesteuert
wird. Das Licht wird einem ersten Bündel von Lichtwellenleitern 3 zugeführt, deren
Eingänge
mit dem Lichtsender 1 verbunden sind. Der Eingangsquerschnitt
des Bündels
von Lichtwellenleitern ist an den Querschnitt des verwendeten Lichtsenders,
z.B. kreisförmig,
angepasst. Die Ausgänge
der einzelnen Lichtwellenleiter 3 sind in einer Reihe nebeneinanderliegend
angeordnet und bilden einen flachen Streifen. Die von den Ausgängen emittierten
Lichtstrahlen definieren den Strahlengang der Lichtschranke und
passieren ein Detektionsvolumen, durch welches sich die zu detektierenden
Objekte bewegen.
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Gegenüberliegend
den Ausgängen
der ersten Lichtwellenleiter 3 ist ein zweites Bündel von Lichtwellenleitern 4 vorgesehen,
deren Eingänge ebenfalls
in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, und welche
die von dem ersten Bündel von
Lichtwellenleitern 3 emittierten Lichtstrahlen aufnehmen.
Die Ausgänge
der Lichtwellenleiter 4 sind mit einem Lichtempfänger 5 verbunden,
der die Lichtsignale erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Als
Lichtempfänger 5 kann
beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor verwendet
werden.
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Eine
Auswerteelektronik ist mit dem Lichtsender 1 und dem Lichtempfänger 5 gekoppelt
und erfasst eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte
hervorgerufene Veränderung
der Lichtintensität
der Lichtschranke. Hierzu wird das vom Lichtempfänger 5 kommende elektrische
Messsignal in einem ersten Verstärker 6 verstärkt. Von
diesem verstärkten
Signal wird in einem Addierer 7 analog eine Spannung subtrahiert,
die im Betrag etwa dem Gleichspannungsanteil der Signalspannung
entspricht. Anschließend
wird das Signal in einem zweiten Verstärker 8 nochmals verstärkt. Änderungen
des Signals am Lichtempfänger 5 werden
nun über
den vollen Bereich des Verstärkers 8 auswertbar,
da im Addierer 7 der Gleichspannungsanteil entfernt wurde.
Anschließend
wird mit einem Schwellwertschalter 9 eine Schaltschwelle
detektiert und das Ausgangssignal auf eine Zählschaltung geführt, die
durch eine Mikroprozessorsteuerung 10 realisiert ist.
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Mit
Hilfe des Mikroprozessors 10 lässt sich aus dem Messsignal 15,
das als analoges Signal vor dem Schwellwertschalter abgenommen wird,
erfindungsgemäß das Volumen
des Objekts 11 bestimmen.
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Das
Ausgangssignal der Lichtschranke, wird der oben beschriebenen selbstabgleichenden
Verstärkerschaltung
zugeführt.
Das resultierende Messsignal 15 beinhaltet in der Signalform
die Geschwindigkeit (entsprechend der zeitlichen Ausdehnung des Messimpulses)
und die Schattenfläche
(entsprechend der Amplitude U des Messimpulses) des bewegten Objekts 11.
Der Maximalwert der Signaländerung
ist ein Maß für die maximale
Schattenfläche
eines zu detektierenden Objekts. Auf dieser Basis kann eine Volumenbestimmung
aufgebaut werden. Die Verstärkerschaltung
gleicht sich so ab, dass eine Lichtstromänderung (dphi), welche ein
simulierter Normtropfen hervorruft, die Amplitudenverstärkung der
Verstärkerschaltung
bestimmt. Damit ist u. a. auch der Einfluss der Lichtschrankenstrecke
ausgeglichen.
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In 2 ist
die wirksame Detektionsfläche 13 der
Lichtschranke dargestellt, durch die sich ein Objekt 11,
zum Beispiel ein Flüssigkeitstropfen,
hindurchbewegt. Der Tropfen 11 bewegt sich in Pfeilrichtung 12,
wobei insgesamt sechs Bewegungsphasen des Tropfens (Tropfen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f) über der
Zeit t dargestellt sind.
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In
der ersten Bewegungsphase zum Zeitpunkt t1 befindet
sich der Tropfen 11a noch vollständig außerhalb der Detektionsfläche 13 der
Lichtschranke. Das zugeordnete Messsignal 14a zeigt keine Änderung
gegenüber
einem Bezugspegel UOffset (Offset). In der
zweiten Bewegungsphase zum Zeitpunkt t2 tritt
der Tropfen 11b in den Detektionsbereich 13 der
Lichtschranke ein, wobei sich bereits die Hälfte seiner Querschnittsfläche innerhalb
der Detektionsfläche 13 befindet.
Das Messsignal 14b zeigt einen Ausschlag, welcher der Hälfte der
maximalen Amplitude UT entspricht.
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Während der
dritten und vierten Bewegungsphase (Zeitpunkte t3 und
t4) befindet sich das Objekt 11c bzw. 11d vollständig innerhalb
des Strahlengangs der Lichtschranke. Das Messsignal zeigt einen Ausschlag 14c bzw. 14d,
welcher der maximale Amplitude UT entspricht.
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In
der fünften
Bewegungsphase zum Zeitpunkt t5 tritt der
Tropfen 11e aus dem Detektionsbereich der Lichtschranke
aus, wobei sich bereits die Hälfte
seiner Querschnittsfläche
außerhalb
der Detektionsfläche 13 befindet.
Das Messsignal 14e zeigt daher einen Ausschlag, welcher
der Hälfte
der maximalen Amplitude UT entspricht.
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In
der sechsten Bewegungsphase zum Zeitpunkt t6 befindet
sich der Tropfen 14f vollständig außerhalb des Detektionsbereichs
der Lichtschranke. Das zugeordnete Messsignal 14f zeigt
keine Änderung
gegenüber
einem Bezugspegel UOffset (Offset).
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Ein
Tropfen 11, der durch diese Lichtschranke hindurchfällt erzeugt
das beschriebene Messsignal, dessen maximale Amplitude UT proportional zur Schattenfläche des
Tropfens 11 ist. Die Schattenfläche wiederum ist proportional
zum Quadrat des Durchmessers d des Tropfens 11. Daher gilt: UT ~ πd2/4
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Somit
ist d ~ (UT)1/ 2
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Das
Volumen V eines Tropfens ist proportional zur dritten Potenz des
Trpfendurchmessers d: V ~ d3
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Daraus
ergibt sich dass das Volumen V des Tropfens proportional zur dritten
Potenz aus der Wurzel der Signalamplitude ist. V
~ (UT)3/2
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Die
Summe der Volumina einer Menge N von erfassten Objekten ist ein
Maß für das dosierte
Gesamtvolumen Vges.
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Der
Kalibrierfaktor k, der zu Anfang einmal ermittelt werden muss, lässt sich
durch das mit herkömmlichen
Verfahren gemessene Gewicht oder Volumen einer bekannten Anzahl
von Tropfen ermitteln, indem das bekannte Volumen oder Gewicht durch
die Summe aller Volumensignale UT 3/2 geteilt wird.
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Ist
der Faktor k bekannt, lässt
sich dann, mit Hilfe dieses Verfahrens, das dosierte Volumen (Gewicht)
einer Anzahl von Tropfen bestimmen.
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Die
Schaltung gleicht sich immer auf den konstanten Wert des simulierten
Normtropfens ab. Das Licht der LED wird dabei soweit vermindert,
bis sich eine Änderung
des Lichtstroms von z.B. 10% ergibt. Der Lichtstrom, den ein Tropfen
vermindert, ist proportional zu seiner Schattenfläche und
demnach zu seinem Durchmesser im Quadrat. Ein Mikroprozessor berechnet
aus dem Flächensignal
das Volumensignal und summiert dieses auf.
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- 1
- Lichtsender
- 2
- Treiber
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Lichtwellenleiter
- 5
- Lichtempfänger
- 6
- Verstärker
- 7
- Addierer
- 8
- Verstärker
- 9
- Schwellwertschalter
- 10
- Mikroprozessorsteuerung
- 11
- Objekt 11a–11f
- 12
- Bewegungsrichtung
- 13
- Detektionsfläche
- 14
- Volumensignale
(UT) 14a–14f
- 15
- Messsignal
