DE19720426C1

DE19720426C1 - Optical measuring device for particles suspended in transparent fluid

Info

Publication number: DE19720426C1
Application number: DE1997120426
Authority: DE
Inventors: Verena Baier; Gernot Kasch
Original assignee: BAIER VERENA DR ING
Current assignee: BAIER VERENA DR ING
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-05-16

Abstract

The particle measuring device uses an optical imaging system and a stroboscopic light source (2) for imaging the particles onto a CCD sensor (7) coupled to a digital evaluation device (31) for conversion of the CCD sensor signals into a digital matrix. The light source and the CCD sensor lie parallel to one another, the light source coupled to an optical fibber cable (9), spaced from the CCD sensor by a free measuring path. An Independent claim is also included for an image evaluation method for digital evaluation of a CCD sensor image.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bestimmung von Partikelausbildungen in einem durchsichtigen, flüssigen Medium mit Hilfe optischer Abbildung und ein Verfahren zur Auswertung der aufgezeichneten Bilder.The invention relates to a device for determining particle formations in one transparent, liquid medium using optical imaging and a method for Evaluation of the recorded images.

Durch die DE 195 10 034 A1 ist bereits eine Vorrichtung bekannt für die Bestimmung von Partikelausbildungen in einem in einer Flüssigkeit dispergierten Medium mit Hilfe einer Abbildungsoptik und einer Lichtquelle (Pulslaser oder Blitzlichtlampe), welche durch eine Synchronisationseinheit auf die optoelektrischen Signale abgestimmt ist, wobei die Partikel auf einer CCD-Kamera abgebildet und hinsichtlich ihrer Gestalt analysiert werden. Zur Klassifizierung werden die elektrischen Signale aus der CCD-Kamera zur Weiterverarbeitung in einem digitalen Auswertegerät in eine digitale Matrix umgewandelt, wobei der aus der Lichtquelle austretende Lichtstrahl in ein Glasfaserkabel eingekoppelt und so vor die CCD- Kamera geführt ist, dass zwischen der Auskopplungsoptik aus der Glasfaser und der CCD- Kamera eine Meßstrecke angeordnet ist.DE 195 10 034 A1 already discloses a device for determining Particle formation in a medium dispersed in a liquid with the aid of a Imaging optics and a light source (pulse laser or flash lamp), which by a Synchronization unit is matched to the optoelectric signals, the particles on imaged on a CCD camera and analyzed for their shape. For The electrical signals from the CCD camera are classified for further processing a digital evaluation device converted into a digital matrix, the der from the Light source emerging is coupled into a fiber optic cable and thus in front of the CCD Camera is guided that between the coupling optics from the glass fiber and the CCD Camera a measuring section is arranged.

Mit dieser Vorrichtung wird eine disperse Partikelprobe in einer geschlossenen Meßeinrichtung untersucht. Es ist nicht möglich, Einzelpartikel in ihrer Gestalt, d. h. bezüglich ihrer Größe und ihrer Form und Oberflächenrauheit in ihrer natürlichen Umgebung in einem fließenden Medium während eines Prozesses mit ihrem realen Verhalten zu beobachten und zu vermessen.With this device, a disperse particle sample is in a closed measuring device examined. It is not possible to shape individual particles in their shape, i.e. H. regarding their size and their shape and surface roughness in their natural environment in a flowing medium to observe and measure with their real behavior during a process.

Weiterhin ist aus der WO 97/14950 A1 eine Vorrichtung bekannt für die Bestimmung von Partikelausbildungen mit Hilfe optischer Abbildung und einer stroboskopischen Lichtquelle, wobei die Partikel auf einer Spezialkamera abgebildet und hinsichtlich ihrer Größe analysiert werden. Zur Klassifizierung werden die elektronischen Signale aus der Spezialkamera zur Weiterverarbeitung in einem digitalen Auswertegerät in eine digitale Matrix umgewandelt, wobei der aus der Lichtquelle austretende Lichtstrahl in eine Glasfaser eingekoppelt und so vor die Spezialkamera geführt ist, dass zwischen dem Auskoppelelement aus der Glasfaser und der Kamera eine freie Meßstrecke angeordnet ist.Furthermore, a device for the determination of is known from WO 97/14950 A1 Particle formation with the help of optical imaging and a stroboscopic light source, the particles are imaged on a special camera and analyzed for their size become. The electronic signals from the special camera are used for classification Further processing in a digital evaluation device converted into a digital matrix, wherein the light beam emerging from the light source is coupled into a glass fiber and thus in front of the Special camera is that between the decoupling element from the fiber and the Camera a free measuring section is arranged.

Bei dieser Vorrichtung werden feste Partikel, wie z. B. Kohle, Erz, Stein usw. über ein Laufband geführt, von dem aus sie in die Meßstrecke herabfallen und dabei analysiert werden. Es handelt sich somit nicht um eine Messung von dispersen Partikeln in einer Flüssigkeit hinsichtlich ihrer Gestalt, d. h. ihrer Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit und ihrer Geschwindigkeit. Die Effekte die beispielsweise Schwebstofflocken in situ zeigen (Formung und Auflösung von Flocken, Flotation und Dispersion) können nicht beobachtet und quantifiziert werden. Die untersuchten Objekte befinden sich in beiden angesprochenen Druckschriften nicht mehr in ihrer natürlichen Umgebung, ihr reales Verhalten kann nicht beobachtet, berücksichtigt oder erfaßt werden.In this device, solid particles, such as. B. coal, ore, stone, etc. on a treadmill from which they fall into the measuring section and are analyzed. It deals is therefore not a measurement of disperse particles in a liquid with regard to their Shape, d. H. their size, shape and surface quality and their speed. The Effects that show, for example, particles of suspended matter in situ (formation and dissolution of Flakes, flotation and dispersion) cannot be observed and quantified. The objects examined are no longer in their respective publications natural environment, their real behavior cannot be observed, considered or grasped become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass gegenüber dem Stand der Technik die Partikel in ihrer Gestalt, Größe und Geschwindigkeit umfassend und während des beobachteten Prozesses erfaßt werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 7. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The invention has for its object a device and a method of the beginning mentioned type so that the particles in their Comprehensive shape, size and speed and recorded during the observed process can be. This object is achieved by a device with the features in Claim 1 and a method with the features in claim 7. Advantageous training and Further training results from the subclaims.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Vorrichtung in jegliches Gewässer bis zu einer Tiefe von 100 m eingebracht werden kann und ein Messbereich von 5-500 µm in einem Arbeitsgang abgedeckt werden kann. Die Vorrichtung kann auch bei einer hohen Konzentration von Partikeln im Submikronbereich eingesetzt werden, da aufgrund der starken Fokussierung des Lichtstrahls nahezu ausschließlich Partikel im Messvolumen belichtet werden und somit auch nur diese Licht streuen. Dies führt zu einem höheren Kontrast im aufgezeichneten Bild. Weiterhin ist die Vorrichtung sehr robust und stoßsicher gelagert. Die Auswertung vor Ort, direkt während der Beobachtung der in der Meßstrecke befindlichen Partikel, läßt eine sofortige Reaktion auf die natürlichen Gegebenheiten zu. Weitere Vorteile liegen in der Unabhängigkeit von der Stromversorgung und der kompakten tragbaren Auswerteeinheit.The advantage of the invention is that the device in any body of water up to one Depth of 100 m can be introduced and a measuring range of 5-500 µm in one Operation can be covered. The device can also be used at a high concentration of particles in the submicron range can be used because of the strong focus of the Light beam particles are exposed almost exclusively in the measuring volume and thus only scatter this light. This leads to a higher contrast in the recorded image. Still is the device is stored very robust and shockproof. The evaluation on site, directly during the observation of the particles in the measuring section allows an immediate reaction to the natural conditions. Independence from the Power supply and the compact portable evaluation unit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch die einzige Figur dargestellt.An embodiment of the invention is shown by the single figure.

Die Figur stellt die Vorrichtung für die Bestimmung der Fartikelausbildungen in einem durchsichtigen, flüssigen Medium dar.The figure represents the device for determining the formation of particles in one transparent, liquid medium.

Die Vorrichtung besteht aus einem in der Flüssigkeit, z. B. ein Fluss, ein See, ein ozeanisches Gewässer oder ein Nachklärbecken, einzubringende optische Einheit 1, eine Synchronisationseinheit 20 und ein Auswertegerät 31 und 32. The device consists of a liquid, e.g. B. a river, a lake, an oceanic body of water or a clarifier, optical unit 1 to be introduced , a synchronization unit 20 and an evaluation device 31 and 32.

Die optische Einheit 1 umfaßt im wesentlichen eine Lichtquelle 2, welches aus einer Xenon- Blitzlampe mit elektronischer Ansteuerung 3 und einem Kondensator 4 mit hoher Kapazität besteht, einer abbildenden Einheit 5 bzw. optional einer zweiten abbildenden Einheit 6, welche jeweils aus einem CCD-Sensor 7 mit Steuerelektronik und Makrolinse 8 bestehen. Der Lichtbogen der Xenon-Blitzlampe 3 wird in ein Glasfaserkabel 9 eingekoppelt. Der Durchmesser des austretenden Lichtstrahls beträgt in der Brennebene etwa ein Millimeter. Die Lichtquelle 2 und die abbildende Einheit 5 liegen parallel zueinander und sind durch zwei Halterungen 10 fest miteinander verbunden. Das Glasfaserkabel 9 ist in einem rostfreien Metallrohr 11 geführt, wobei das Metallrohr 11 durch Halterungen 12 an der CCD-Kamera und mit Verschraubung 13 und einem Verbindungsrohr 14 an der Gasentladungslampe 3 stoßsicher geführt ist. Die Anordnung ist so gewählt, dass zwischen der Makrolinse 8 und dem Lichtaustrittsende der Glasfaser 15 eine etwa 60 mm lange Meßstrecke 16 entsteht. In dessen Mitte befindet sich das Messvolumen mit 1.2 × 0.9 mm Fläche und etwa 0.5 mm Tiefenschärfe.The optical unit 1 essentially comprises a light source 2 , which consists of a xenon flash lamp with electronic control 3 and a capacitor 4 with a high capacity, an imaging unit 5 or optionally a second imaging unit 6 , each of which consists of a CCD sensor 7 with control electronics and macro lens 8 exist. The arc of the xenon flash lamp 3 is coupled into a glass fiber cable 9 . The diameter of the emerging light beam is about one millimeter in the focal plane. The light source 2 and the imaging unit 5 are parallel to one another and are firmly connected to one another by two brackets 10 . The fiber optic cable 9 is guided in a stainless metal tube 11, wherein the metal tube 11 is guided by supports 12 on the CCD camera and with screw 13 and a connecting pipe 14 shockproof at the gas discharge lamp. 3 The arrangement is selected such that an approximately 60 mm long measuring section 16 is formed between the macro lens 8 and the light exit end of the glass fiber 15 . In the middle is the measuring volume with 1.2 × 0.9 mm area and about 0.5 mm depth of field.

Die Videosignale werden über doppelt geschirmte Spezialkabel 18 und für eine zweite Kamera 17 zur Synchronisationseinheit 20 (Begleitboot oder Uferstation) an die Buchsen 21 und 22 geführt. Aus der Synchronisationseinheit 20 ist ein Kabel 19 zur Belichtungseinheit 2-4 geführt. Über dieses Kabel 19 erfolgen Synchronisation mit den Videosignalen, sowie die Stromversorgung. Des weiteren kann die Frequenz der stroboskopischen Belichtung durch einen Kippschalter 23 von 25 bis 100 Hz eingestellt werden. Die Synchronisationseinheit 20 sieht Anschlüsse 30 zur Stromversorgung mit einer hier nicht dargestellten Batterie vor. Die Videosignale beider CCD-Sensoren werden entweder an einzelnen Anschlüssen 24 und 25 abgegriffen oder werden im sogenannten verschränkten Modus von Anschluß 26 weitergeleitet. Hierbei kommt Halbbild 1 von Kamera 1, Halbbild 2 von Kamera 2 beide werden verschränkt zu einem Vollbild nach CCIR-Norm.The video signals are routed via double-shielded special cables 18 and for a second camera 17 to the synchronization unit 20 (escort boat or shore station) at the sockets 21 and 22 . A cable 19 is led from the synchronization unit 20 to the exposure unit 2-4 . This cable 19 is used for synchronization with the video signals and the power supply. Furthermore, the frequency of the stroboscopic exposure can be set by a toggle switch 23 from 25 to 100 Hz. The synchronization unit 20 provides connections 30 for power supply with a battery, not shown here. The video signals of both CCD sensors are either tapped at individual connections 24 and 25 or are forwarded from connection 26 in the so-called entangled mode. Field 1 comes from camera 1 , field 2 from camera 2, both are interlaced to form a full frame according to the CCIR standard.

Das jeweils verwendete Videosignal von den Buchsen 24-26 wird mittels 75 Ohm Videokabeln 27-29 an den Anschluss der digitalen Auswerteeinheit 31 weitergeleitet. Die Auswerteeinheit 31 ist eintragbarer PC mit Batteriebetrieb, welche mit einer Digitalisierkarte 32 ausgerüstet ist. Auf dem tragbaren Auswertegerät 31 ist die Umwandlung der analogen Videosignale in eine digitale Matrix und das Auswerteprogramm implementiert. The video signal used in each case from the sockets 24-26 is forwarded to the connection of the digital evaluation unit 31 by means of 75 ohm video cables 27-29 . The evaluation unit 31 is a portable PC with battery operation, which is equipped with a digitizing card 32 . The conversion of the analog video signals into a digital matrix and the evaluation program are implemented on the portable evaluation device 31 .

Die optische Einheit 1 wird während des Versuchs in das Gewässer eingebracht. Die meisten Forschungsboote oder -schiffe verfügen über eine Winde, an deren Stahlseil die optische Einheit in die Tiefe gelassen wird. Die Synchronisationseinheit 20 und die digitale Auswerteeinheit 31 befindet sich an Bord. Das gewünschte Signal wird von der Synchronisationseinheit 20 abgegriffen und an die digitale Auswerteeinheit 31 weitergeleitet. Dort erfolgt die Realzeiterfassung der digitalen Matrix. Realzeit bedeutet, dass die Bilddaten in der Geschwindigkeit verarbeitet werden, in der sie eintreffen d. h. die Digitalisierung erfolgt bei Videosignalen in CCIR-Norm in einer Zeit kürzer als 20 ms. Die digitale Matrix wird sofort vor Ort ausgewertet. In einer Benutzeroberfläche wird das Bild angezeigt und mit Hilfe digitaler Bildauswertung die isolierten Partikel vermessen.The optical unit 1 is introduced into the water during the experiment. Most research boats or ships have a winch, on the steel cable of which the optical unit is lowered. The synchronization unit 20 and the digital evaluation unit 31 are on board. The desired signal is picked up by the synchronization unit 20 and forwarded to the digital evaluation unit 31 . This is where the digital matrix is recorded in real time. Real time means that the image data are processed at the speed in which they arrive, ie the digitization of video signals in CCIR standard takes less than 20 ms. The digital matrix is immediately evaluated on site. The image is displayed in a user interface and the isolated particles are measured using digital image evaluation.

Als geometrische Rohdaten stehen zur Verfügung:
Fläche, Umfang und Schwerpunkt
karthesische und polare Koordinaten der Konturlinie
Fourierkoeffizienten der transformierten Polarkoordinaten
geometrische Momente und hieraus ermittelte invariante Merkmale
Krümmungsradien und TangentenwinkelThe following are available as raw geometric data:
Area, scope and focus
Cartesian and polar coordinates of the contour line
Fourier coefficients of the transformed polar coordinates
geometric moments and the invariant features determined from them
Radii of curvature and tangent angles

Aus diesen wird die Partikelausprägung berechnet
Flächengleicher Durchmesser
Hauptachsen und Orientierung einer approximierten Ellipse
Diese wird approximiert durch den zweiten Fourierkoeffizient bzw. den ersten zentralen normierten Momenten der Konturkoordinaten.
Abrundungsgrad nach COX (A4π/U²),
Fouriersummen über die Koeffizienten
Die Summe über die Koeffizienten Drei bis elf geben die Grobstruktur der Oberfläche und deren Kantigkeit wieder.
Die Summe über die Koeffizienten einundzwanzig bis fünfzig beschreibt die Feinstruktur der Oberfläche und deren Konkavität.
Tangentenwinkelabweichung im Verlauf der Konturlinie
Für einen Kreis ist dieser Wert 1.
Anteil kleiner Krümmungsradien in Relation zum Partikelradius
Für einen Kreis ist dieser Wert 0.The particle characteristics are calculated from these
Diameter of the same area
Main axes and orientation of an approximated ellipse
This is approximated by the second Fourier coefficient or the first central standardized moments of the contour coordinates.
Degree of rounding according to COX (A4π / U ² ),
Fourier sums over the coefficients
The sum of the coefficients three to eleven shows the rough structure of the surface and its angularity.
The sum of the coefficients twenty-one to fifty describes the fine structure of the surface and its concavity.
Tangent angle deviation in the course of the contour line
This value is 1 for a circle.
Proportion of small radii of curvature in relation to the particle radius
This value is 0 for a circle.

Bei Verwendung einer Kamera wird zweidimensionale Information erfaßt. Bei Verwendung einer zweiten Kamera kann die geometrische Charakterisierung auf die räumliche Ausdehnung erweitert werden. Bei Anordnung der zweiten Kamera im neunzig Grad Winkel werden zwei zueinander senkrecht stehende Ansichten desselben Partikels abgebildet, wodurch es in seiner räumlichen Ausdehnung vollständig charakterisiert ist.When using a camera, two-dimensional information is captured. When using a second camera can use the geometric characterization on the spatial extent be expanded. If the second camera is arranged at an angle of 90 degrees, two mutually perpendicular views of the same particle are shown, whereby it in its spatial extent is fully characterized.

Der Parameter, welcher die Dynamik charakterisiert ist die Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit kann bei Doppelbelichtung erfaßt werden. Hierbei wird mit doppelt so hoher Frequenz belichtet, wie aufgezeichnet Bei einer Videonorm von fünfzig Bilder /s folgt daraus eine Blitzfrequenz von einhundert Hz. Somit wird jedes Partikel, welches sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als fünfhundert µm pro Sekunde bewegt, zweimal im gleichen Bild abgebildet. Die Partikel sind durch die aus den geometrischen Momenten ermittelten Merkmale beschrieben. Die Geschwindigkeitspaare haben gleiche Merkmale und können somit zugeordnet werden. Aus dem Abstand der Schwerpunkte kann die Geschwindigkeit ermittelt werden. Bei Verwendung einer Kamera wird die unter Wasser befindliche Komponente so ausgerichtet, daß die Geschwindigkeit der Hauptströmung erfaßt wird. Wird eine zweite Kamera eingesetzt, so können Sekundärströmungen erfaßt werden.The parameter that characterizes the dynamics is the speed. The Speed can be measured with double exposure. This is twice as high Frequency exposed as recorded With a video standard of fifty frames / s it follows a flash frequency of one hundred Hz. Thus, every particle that deals with a Moving speed of more than five hundred microns per second, twice in the same picture pictured. The particles are characterized by the features determined from the geometric moments described. The speed pairs have the same characteristics and can therefore be assigned become. The speed can be determined from the distance between the centers of gravity. At Using a camera, the underwater component is aligned so that the speed of the main flow is detected. If a second camera is used, so secondary flows can be detected.

Aus Geschwindigkeit und flächengleichem Durchmesser kann, sofern das spezifische Gewicht des Fluids bekannt ist, das spezifische Gewicht der beobachteten Partikel ermittelt werden.From speed and equal area diameter, provided the specific weight of the fluid is known, the specific weight of the observed particles can be determined.

Der Abrundungsgrad läßt Rückschlüsse auf das Anlagerungspotential für Schadstoffe zu zum Beispiel Phospor.The degree of rounding allows conclusions to be drawn about the accumulation potential for pollutants Example phosphorus.

Wenn die Partikelgestalt bekannt ist, kann eine Vorhersage für die Agglomeration bzw. die Flockungsneigung des Materials erfolgen.If the particle shape is known, a prediction for the agglomeration or the Flocculation tendency of the material.

Claims

1. Device for the determination of particle formation in a transparent liquid medium with the help of optical imaging and a stroboscopic Light source, which is synchronized to the optoelectronic Signals is matched, the device the particles on at least one CCD sensor maps and analyzed in terms of their shape and for classification the electronic signals from the CCD sensor for further processing in one converts the digital evaluation device into a digital matrix, the CCD The sensor and the light source are arranged parallel to one another in one structural unit, the light beam emerging from the light source into a glass fiber cable is coupled and guided in front of the CCD sensor so that between the Glass fiber cable and the CCD sensor a free measuring path is arranged.

2. Device according to claim 1, characterized in that the glass fiber cable is guided in a tube, which is fixed with both the light source and the CCD sensor connected is.

3. Device according to claim 1, characterized in that the measuring section is so long that a Flow disturbance is excluded.

4. The device according to claim 1, characterized in that at the synchronization unit two CCD Cameras are connected, the light signals with both video signals can be synchronized and the video signals from both CCD sensors can be forwarded individually as well as entangled.

5. The device according to claim 1, characterized in that the digital evaluation device is portable and on whose screen shows the particles recorded during the measurement and evaluated in an arithmetic-logical unit.

6. Device according to claims 1 to 5, characterized in that the power is supplied by a battery.

7. The method for evaluating the device according to claims 1 to 6 recorded images, a program being entered into the evaluation device, with the help of the characterization of the particles automatically and already in the Course of the process observed in the measuring section is carried out.

8. The method according to claim 7, characterized in that when using a CCD sensor the two-dimensional size, the axis ratio, the degree of rounding and the Surface quality can be recorded numerically.

9. The method according to claim 7, characterized in that when using a CCD sensor the Particle size and speed and from this the specific weight be determined.

10. The method according to claim 7, characterized in that when using a CCD sensor both individual particles or a combination of particles can be considered.

11. The method according to claim 7, characterized in that when using two CCD sensors the Particles in their extent along the three spatial axes are recorded.

12. The method according to claim 7, characterized in that when using two CCD sensors Currents perpendicular to the main direction can be detected.