DE19752034C1 - Vorrichtung zur Detektion von Partikeln - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln mit den Merkmalen des Hauptanspruches.

Partikelzählgeräte werden in den verschiedensten Bereichen der Technik eingesetzt. Diese Geräte dienen zur Zählung und Größenbestimmung von Partikeln. Das Prinzip der Geräte beruht auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit den Partikeln. Liegt die Wellenlänge der Strahlung in dem Bereich des Lichtes, nennt man den Effekt Lichtstreuung. Die Partikel werden durch ein Strömungsmittel in das Meßvolumen transportiert und durch eine entsprechenden Strahlungenquelle bestrahlt. Im Falle von Licht werden Laser aber auch intenstätsstarke Weißlichtquellen wie Xenon- oder Quecksilberdampflampen verwendet. Die Detektion erfolgt durch die Messung des von den Partikeln gestreuten Lichtes bzw. des geschwächten Lichtes der Lichtquelle.

Wichtige Voraussetzung für die Detektion ist, daß der bestrahlte Bereich, auch Meßvolumen, durch geeignete Maßnahmen so begrenzt wird, daß sich in der Regel immer nur ein einzelnes Partikel in diesem Bereich befindet. In dem Fall erhält man immer nur die Information von dem einzelnen Partikel. Die Auswertung der gemessenen Partikel nach ihren Durchmessern erfolgt nahezu verzögerungsfrei, so daß es sich um eine On-Line Messung handelt.

Das Prinzip dieser Messung erlaubt eine Untersuchung des Strömungsmittels, ohne es zu beeinflussen. Daher ermöglicht diese rückwirkungsfreie Messung den Einsatz der Geräte in vielen Produktionseinrichtungen. Die Geräte sind in unterschiedlichen Ausführungen kommerziell erhältlich. Anwendungsgebiete sind u. a. in der Verfahrenstechnik bei z. B. der Analyse von Pulvern und Stäuben.

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich sind die sog. Reinen Technologien, dazu gehören u. a. die Herstellung von Halbleiterschaltungen, Pharmaproduktionen und die Opto- und Feinwerktechnik. Der Begriff "Reine Technologien" rührt aus der Notwendigkeit, daß in diesen Produktionen das Produkt umgebende Strömungsmittel bzw. Fluids "rein" von Fremdstoffen insbesondere aber von Partikeln sein müssen. In diesen Bereichen dienen die Partikelzählgeräte zur Kontrolle des produktumgebenden Fluids. Weitere Einsatzgebiete sind u. a. Filterprüfungen, Umweltmessungen und Inhalationsmessungen.

Bei der Entwicklung der Partikelzählgeräte ging der Trend der letzten Jahre immer mehr zu dem Nachweis kleinerer Partikel bei hohen Durchsatzraten (< 28 l/min). Gleichzeitig soll eine hohe Auflösung bezüglich des Partikeldurchmessers erreicht werden.

Diese drei Leistungsmerkmale sind unmittelbar miteinander verknüpft. Sie hängen alle von dem Rauschen in der Meßkette der Detektion, der Strahlungsquellen und dem der Fluidmoleküle ab. Je niedriger das Rauschen ist, desto besser werden die Leistungen der Geräte. Die Höhe des Rauschens wird in Relation zum Nutzsignal angegeben und als Signal zu Rauschverhältnis (SNR) bezeichnet.

Das SNR "bildet" sich in der Meßkette der Detektion. Die Meßketten der bekannten Ausführungsformen bestehen aus einem Photoempfänger, der das gestreute bzw. geschwächte Licht empfängt und in ein elektrisches Signal umsetzt. Die Empfänger können im Wellenlängenbereich des Lichtes normale Photodioden, CCD Arrays oder Photomultiplier sein. Jedem dieser Empfänger muß eine Verstärkeranordnung nachgeschaltet werden, um das Nutzsignal auf eine Größe zu verstärken, die verwertbar ist. Neben dem Nutzsignal empfängt der Photoempfänger auch Strahlungsrauschen, welches von den Fluidmolekülen und der Strahlungsquelle stammt und in gleichen Maß wie das Nutzsignal mit verstärkt wird. Weiterhin kommen noch die Eigenrauschanteile der Photoempfänger und der Verstärkerschaltung zum Gesamtrauschen dazu. Am Ausgang der Verstärkerschaltung liegt somit ein Signalgemisch vor, aus dem die Nutzsignale detektiert werden müssen. Neben der reinen Detektion ist auch die Amplitude des Nutzsignals zu bestimmen, um daraus die Partikelgröße ableiten zu können.

In den bekannten Ausführungen von Partikelzählern erfolgt die Partikeldetektion dann direkt nach der Verstärkerschaltung durch einen analogen oder digitalen Schwellwertentscheider. Das heißt, wird ein bestimmter vorgegebener Pegel im Signalgemisch überschritten, wird dieses Ereignis als Partikel gewertet. Jede Störung, die den vorgegebenen Pegel überschreitet, wird demnach auch als Partikel gewertet. Dieser Fall entspricht einer unerwünschten Fehlzählung, die vom Anwender nicht festgestellt werden kann. Um die Anzahl der Fehlzähtungen zu reduzieren, sind in vielen bekannten Ausführungen von Partikelzählgeräten die Schwellwertentscheider mit Laufzeitvergleichern kombiniert worden. Zur Reduktion von hochfrequenten Störungen werden vereinzelt Tiefpaßfilter verwendet.

Bestimmte spezifizierte Grenzwerte von Partikelgrößen und Anzahlkonzentrationen lassen sich mit den bekannten Verfahren aber nicht mehr nachweisen.

Die in den bekannten Partikelzählern angewandten Methoden zur Partikeldetektion beruhen nur auf den Beobachtungen der einfachsten Signalmerkmale, wie Signalpegel und Signallänge. Keine der daraus abgeleiteten Detektionsverfahren (Schwellwertentscheider, Laufzeitvergleich) liefert eine Verbesserung des SNR.

Nachteilig ist weiterhin, daß häufig bei der Filterung der Signale durch Tiefpaßfilter in der Regel auch ein Teil der Signalinformationen gedämpft wird. Die reale Tiefpaßfilterung liefert ebenfalls keine Steigerung des SNR.

Die bekannten Ausführungen von Partikelzählern gewährleisten nur eine sichere Detektion der Partikel, wenn das Verhältnis des Nutzsignals zum Gesamtrauschen am Verstärkerausgang minimal 10 beträgt. Bei besonders empfindlichen Geräten wird das minimale Verhältnis von den Herstellern kleiner gewählt, um kleinere Partikel messen zu können. Dies geht zu Lasten der Fehlzählrate. Die Geräte zählen dann in einem sehr großen Umfang Störungen als vermeintliche Partikel.

Das Rauschen beeinflußt nicht nur die untere Nachweisgrenze negativ, sondern auch das Auflösungsvermögen. Die Fähigkeit kleine Änderungen im Partikeldurchmesser zu unterscheiden, wird auch bei relativ großen Signalen durch das Rauschen beeinträchtigt. Dies macht sich besonders stark bei Partikelzählern bemerkbar, die als Lichtquellen Weißlichtlampen bzw. als Detektoren Photomultiplier verwenden. Die bisher bekannten Verfahrten liefern hier keine Verbesserung.

Jede der bekannten Lösungen zur Partikeldetektion ist hardwaremäßig auf einen bestimmten Partikelzähler zugeschnitten. Änderungen an diesen Schaltungen sind immer mit relativ hohem Aufwand verbunden. Die Übertragbarkeit auf andere Geräte ist somit erschwert.

In der US-A-53 29 351 wird ein erster Ansatz zur Verbesserung des SNR aufgezeigt. Dabei wird das Streulicht von Partikeln auf Oberflaechen in der patentgemaessen Vorrichtung in gleiche Anteile geteilt, auf Detektoren geleitet und verstaerkt. Die verstaerkten elektrischen Signale werden dann wieder summiert. Die Vorrichtung soll das SNR erhoehen, wofuer allerdings keine Belege angefuehrt werden.

In ähnlicher Weise wird in der DE-OS-39 30 642 eine Vorrichtung zur Verbesserung des SNR beschrieben. In dieser Schrift wird eine Rauschunterdrueckung beschrieben, die durch die Subtraktion (Addition eines invertierten Signals) von zwei Signalen realisiert ist. Die Signale stammen aus benachbarten' Bereichen des Messvolumens, enthalten somit nicht das gleiche Signalgemisch. Auch das Rauschen ist an dem Subtraktionspunkt in den beiden Signalgemischen grundsaetzlich unterschiedlich. Somit kommt es nur zu einer Reduktion, wenn rein zufaellig zu dem aktuellen Zeitpunkt die Rauschwerte gleich waren. Eine definierte SNR Verbesserung stellt diese Vorrichtung nicht dar.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die genannten Nachteile zu überwinden, indem das Signal zu Rausch Verhältnis der Detektion verbessert wurde.

Dies wird erfindungsgemäß erzielt durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Partikeldetektion mit den Merkmalen des Hauptanspruches.

Seitens des Erfinders wurde durch eine Analyse des Meßverfahrens gefunden, daß der Verlauf, also die Form der reinen ungestörten Nutzsignale, bis auf einen Amplitudenfaktor bekannt sind. Das heißt, man kann für ein gegebenes Gerät die Form des Nutzsignals ermitteln, die ein Partikel beliebiger Größe erzeugen würde. Die Partikelgröße wird nur noch durch einen Multiplikator, den Amplitudenfaktor repräsentiert. Mit dieser wesentlichen Voraussetzung kann eine angepaßte Filterung (matched filter) angewendet werden. Dazu ist die ermittelte Signalform des ungestörten Nutzsignals mit den aktuell gemessenen Signalen zu vergleichen. Das Ergebnis der Korrelation ist ein maximal mögliches SNR am Ausgang des Filters.

Zur Verbesserung der Eingangsvoraussetzungen für die angepaßte Filterung muß das jeweilige Eingangsrauschen reduziert werden. Dazu sind mindestens zwei parallele identische Meßketten zu benutzen, die simultan ein Meßvolumen abtasten. Dieses Prinzip der simultanen Mehrfachabtastung kann auf n identische, jedoch unabhängige Meßketten erweitert werden. Grundgedanke dieser Maßnahme ist die Tatsache, daß das Nutzsignal in den beiden Meßketten identisch ist. Somit sind die Nutzsignale der Meßketten miteinander korreliert. Das Rauschen ist ein zufälliger Prozeß, somit ist das Rauschen in den Meßketten unkorreliert. Durch die Berechnung der On-Line Kreuzkorrelation der n Ausgangssignale der Meßketten wird das unkorre-lierte Eigenrauschen der unabhängigen Komponenten eliminiert und die korrelierten Signale verstärkt. Die On-Line Filterung und Korrelationsberechnung ist in digitaler Form auf einem Digitalen Rechenwerk (DSF, RISC Prozessor, Transputer o. ä.) möglich.

Der wesentlichste Vorteil der angepaßten Filterung ist die maximale Vergrößerung des Signal zu Rauschverhältnis (SNR). Keine andere Filterung liefert bei gleichem Eingangssignalgemisch ein größeres SNR. Die Signalinformationen, also das Auftreten eines Partikels sowie dessen Durchmesser, werden durch die Filterung nicht gedämpft, sondern hervorgehoben.

Durch die angepaßte Filterung (matched filter) kann eine niedrige Fehlzählrate auch bei hoher Empfindlichkeit gewährleistet werden, da das Filter nur die Signale als Partikelsignale identifiziert, die dem Mustersignal entsprechen. Mit diesem Verfahren ist eine sichere Detektion bei einem SNR kleiner 1 am Verstärkerausgang möglich. Die untere Nachweisgrenze bezüglich der Partikelgröße wird erheblich herab gesenkt, ohne die Fehlzählrate zu verschlechtern.

Die in der ursprünglichen Amplitude des Streulichtsignals enthaltene Größeninformation wird durch die Erfindung nicht beeinflußt. Man kann nach der Filterung die unverfälschte Größe der Partikel bestimmen.

Durch die Reduktion des Rauschens vor der Filterung wird die Auflösung bezüglich der Partikelgröße erheblich gesteigert. Die Geräte können damit Änderungen in der Partikelgröße auflösen, die bisher nicht möglich waren.

Die gesamte Signalverarbeitung ist so gestaltet, daß sie universell für alle Ausführungen von Geräten gleich gestaltet werden. Anpassungen erfolgen sehr einfach nur durch die Software.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die beschriebene Detektion On-Line ohne jegliche Totzeit durchgeführt werden. Bei bekannten Verfahren treten Totzeiten auf, in denen keine Partikel detektiert werden können. Damit ist hier gewährleistet, daß alle Partikel, die den bestrahlten Bereich durchfliegen, auch gezählt werden.

Neuste geforderte Grenzwerte (Partikelgröße und Anzahlkonzentration) in der Halbleiterherstellung und der Inhalationstechnik können nur mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden. Mit den neuen Leistungsdaten kann man mit diesen Geräten in Bereiche vordringen, die bisher teueren und zeitaufwendigen Off-Line Verfahren wie zum Beispiel die gesamte Rastermikroskopie vorbehalten waren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Dabei zeigen Fig. 1: eine Ausführungen eines Partikelzählgerätes nach dem Stand der Technik;

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3: eine schematische Gesamtdarstellung einer bekannten Ausführungsform eines Partikelzählgerätes;

Fig. 4: eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Reduktion des Eigenrauschens in den Meßketten, sowie

Fig. 5: eine schematische Gesamtdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Aufbaus zur Reduktion des Eigenrauschens in zwei Meßketten hier und zur Reduktion des Rauschens in den Strahlungssignalen.

In Fig. 1 ist eine Ausführung einer bekannten Meßkette eines Partikelzählgerätes dargestellt. Die durch die Partikel gestreute bzw. geschwächte Strahlung wird von dem Empfänger 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und von dem nachgeschalteten Verstärker 2 in ein verwertbares Signal verstärkt. Der Schwellwertentscheider 10 gibt Zählpulse an die Ausgabeeinheit 8 weiter, wenn das elektrische Signal einen vorgegebenen Pegel und/oder eine bestimmte Laufzeit überschritten hat. Tiefpaßfilter und andere Ausführungen für den Entscheider 10 sind hier nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit angeschlossener Signalverarbeitung. Ein wesentlicher Unterschied zu bekannten Ausführungen ist der mehrfache hier doppelt dargestellte Aufbau der Meßketten 1 bis 5. Die durch die Partikel gestreute oder geschwächte Strahlung wird durch die Photodetektoren 1 umgewandelt und durch die Verstärker 2 verstärkt. Durch die Bandbegrenzer 3 wird die Signalbandbreite für den anschließenden Abtaster 4 begrenzt. Die abgetasteten Signale werden durch den Wandler 5 digitalisiert. Ein Korrelator 6 führt die Kreuzkorrelation der Signale aus den Meßketten aus. Aus dem verbleibenden Signalgemisch werden die Partikelsignale durch Vergleich mit dem Mustersignal detektiert. Diese Operation wird durch die angepaßte Filterung im Rechenwerk 7 durchgeführt. Der Ausgang der angepaßten Filterung 7 liefert Zählpulse und eine Größeninformation, die beide an die Auswerteeinheit 8 weitergegeben werden. Die gesamte Vorrichtung wird durch den Taktgeber 9 getrieben. Die Taktintervalle müssen um ein Vielfaches kleiner als die Zeitintervalle der Nutzsignale sein.

In Fig. 4 ist eine schematische Gesamtdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelzählgerätes gezeigt. Die Strahlungsquelle 14 bestrahlt das begrenzte Meßvolumen 12. Die vom Partikel 15 gestreute Strahlung wird durch die parallelen fokussierenden Einrichtungen 11 auf die Detektoren 1 gebündelt. Nicht mehr dargestellt sind die den Detektoren nachfolgenden Komponenten aus Fig. 2. In der Konfiguration in Fig. 4. kann nur das Eigenrauschen der Komponenten 1 bis 5 reduziert werden, da das Rauschen der Strahlungsquelle und das Molekülrauschen des Fluids in beiden Meßketten identisch ist.

Für die Anwendung der simultanen Mehrfachabtastung und der dadurch möglichen Rauschreduktion durch Kreuzkorrelation ist neben dem in Fig. 2 gezeigten doppeltem Aufbau der Meßkette auch ein mehrfacher Aufbau denkbar. In einem solchen Fall wird dann ein Signalgemisch aus den n-fachen Meßketten gewonnen.

Um das Eigenrauschen weiter zu reduzieren ist ein Aufbau nach Fig. 5 möglich. In diesem Fall werden zwei Meßvolumina von einer Strahlungsquelle 14 bestrahlt. Die Teilung der Strahlung kann zum Beispiel durch dielektrisch beschichtete Platten erfolgen. Jeweils ein Detektor 1 empfängt die gestreute Strahlung über die Fokussierungseinrichtung 11 des jeweiligen Meßvolumens.

Jedes Meßvolumen wird unabhängig von den einzelnen Meßketten 1 bis 5 simultan abgetastet. Damit ist dann auch das Rauschen der Fluidmoleküle unabhängig in den einzelnen Meßketten. Die Meßketten können wiederum auch mehrfach ausgeführt sein.

Gemäß einer nicht dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die Meßvolumen 12 und 13 in Fig. 5 jeweils von getrennten Strahlungsquellen zu bestrahlen. Auf diese Weise kann das Rauschen der Strahlungsquellen selbst unterdrückt werden.

Bei den in den Fig. 4-5 gezeigten Ausführungen ist jeder geeignete Strahlungsempfänger denkbar. Der Empfänger ist an den Wellenlängenbereich der Strahlungsquelle anzupassen. Die Erfindung selbst ist nicht an eine bestimmte Art von Empfänger oder Strahlungsquelle gebunden.

Bei den in Fig. 2 gezeigten Verstärkern 2 können auch mehrere Verstärker parallel in jedem Zweig eingesetzt werden, um den Dynamikbereich zu erweitern. Gleichzeitig oder getrennt kann jeder der Verstärker auch als mehrstufiger Verstärker ausgeführt sein.

Die Bandbegrenzung 3 in Fig. 2 kann durch verschiedene Arten realisiert werden. Jede Art von Tiefpaßfiltern kann die Bandbegrenzung vornehmen, sie kann aber auch implizit durch eine äußere Beschaltung der Verstärkerstufen 2 erfolgen.

Weiterhin ist auch eine Bandbegrenzung durch einen speziellen Wandler 5 bzw. Abtaster 4 möglich. Der Abtaster 4 und der Wandler 5 können auch als ein Baustein ausgeführt sein. Nicht dargestellt ist die Variante, daß ein Abtaster und ein Wandler gleichzeitig für alle Kanäle benutzt werden können. Der Abtaster ist dann in mehrfacher Ausführung im Baustein enthalten. Bei der Bandbegrenzung ist darauf zu achten, daß die Begrenzung keine Anteile des Nutzsignals ausgrenzt. Dies ist durch eine einmalige Frequenzanalyse im Vorfeld zu untersuchen.

Der Korrelator 6 in Fig. 2 kann gleichzeitig mit in dem digitalen Signalprozessor 7 realisiert sein. Eine andere Ausführungsform ist die Anwendung von programmierbaren Feldbausteinen mit denen der Korrelator dann realisiert wird. Der Integrationsgrad hängt von der benötigten Datendurchsatzleistung im Einzelfall ab. Der Datendurchsatz kann aus der Zählrate des Partikelzählgerätes und dem Taktintervall ermittelt werden. Die angepaßte Filterung erfolgt durch eine Filterstruktur aus Multiplikatoren und Addierern. Diese Strukturen sind als Filter mit begrenzter Impulsantwort bekannt. In dem Speicher des digitalen Rechenwerks ist das Mustersignal hinterlegt, welches mit dem aktuellen Signal in der Filterstruktur verglichen wird. Der Vergleich kann im Zeit- oder Frequenzbereich durchgeführt werden. Entsprechend ist das Mustersignal zu hinterlegen.

Im Fall einer Übereinstimmung von Mustersignal und aktuellem Signal wird von dem Rechenwerk 7 eine Information in Form einer digitalen Signalkombination oder als analoger Wert an die Ausgabeeinheit 8 übergeben. Die Ausgabeeinheit kann als reine Anzeige, die die Ausgangssignale von 7 einfach zählt ausgebildet sein. Weiterhin denkbar ist jede Variante bekannter Kleinrechner wie Mikroprozessoren und Personal Computer. Diese Geräte verfügen standardmäßig über entsprechende Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit dem Signalprozessor 7.

Bezugszeichenliste

1

Empfänger des optischen Signals, Photodetektor zur Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal

2

Verstärker zur Verstärkung des elektrischen Signals des Photodetektors

3

Bandbegrenzung, Einrichtung zur Begrenzung der maximalen Frequenz im Signalgemisch

4

Abtaster zur Diskretisierung des analogen Signals

5

Analog Digital Wandler zur Quantisierung der diskreten analogen Signale

6

Korrelator zur Durchführung der Kreuzkorrelation

7

Digitaler Signalprozessor als angepaßter Filter

8

Ausgabeeinheit zur Anzeige der Meßergebnisse

9

Taktgeber

10

Schwellwertentscheider, entscheidet die Detektion eines Partikels

11

optisches System zum Sammeln des Streulichtes der Partikel

12

Meßvolumen

13

paralleles Meßvolumen

14

Lichtquelle

15

Partikel

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in Gasen und Flüssigkeiten mit einer Lichtquelle zur Bestrahlung der mit einem Strömungsmittel transportierten Partikel mit mindestens zwei vom Aufbau identischen Meßketten, bestehend aus den die Strahlung leitenden optischen Komponenten, einer Meßzelle, einem Photodetektor mit nachgeschaltetem Verstärker, einem Tiefpaßfilter, einem Abtastglied und einem Analog/Digital (A/D) Wandler, wobei den Meßketten jeweils ein Korrelator mit angeschlossener Auswerteeinheit mit Rechenwerk nachgeschaltet ist und die Abtastglieder, A/D Wandler, der Korrelator und das Rechenwerk durch einen Taktgeber in ihrer Funktion synchronisiert werden.

2. Vorrichtung zur Detektion von Partikeln nach Anspruch 1, wobei das Rechenwerk einen Speicher zur Hinterlegung eines Mustersignals besitzt und einen adaptiven Vergleicher zum Vergleich zwischen gemessenem und angepaßtem Mustersignal.

3. Vorrichtung zur Detektion von Partikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rechenwerk einen Schwellwertentscheider besitzt, der eine äquivahente Größe für den Partikeldurchmesser ausgibt.