DE2058124A1

DE2058124A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Verteilung schwebender Teilchen

Info

Publication number: DE2058124A1
Application number: DE19702058124
Authority: DE
Inventors: Juels Ronald J; Roy Ricci; Robert Staffin
Original assignee: Procedyne Corp
Current assignee: Procedyne Corp
Priority date: 1969-12-04
Filing date: 1970-11-26
Publication date: 1971-06-09
Also published as: BE759821A; US3676647A; GB1332316A; FR2072874A5; CH543086A

Description

19. 11. 1970 IG/po

Procedyne Corporation

221 Somerset Street, New Brunswick, New Jersey 08903, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Verteilung schwebender Teilchen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur untersuchung der Verteilung schwebender Teilchen. Solche Teilchen können eine gleiche oder unterschiedliche Gestalt haben und in einem kontinuierlich strömenden Stoff vorhanden sein, wobei bezweckt wird, diese Teilchen zu zählen und in Gruppen zu klassifizieren, deren Größen vorbestimmt sind.

Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, einschließlich des automatischen Siebens und elektronischer Apparaturen bekannt, um Teilchenfelder darstellende Mikrofotografien abzutasten. Z. D. sind in der Zeitschrift, Chemical Engineering, 20. Mai 1968, von C. E. Lapple die herkömmlichen Verfahren zur (irößenuntersuchung, soweit sie benutzt werden, beschrieben, ferner von G. Herdon im Aufsatz "Small Particle Statistics", 2. Ausgabe, Kapitel 19, Akademische Presse, New York (i960) ferner von R. R. Irani und C. F. Callis in dem Aufsatz "Particle Size: Measurement, Interpretation and Application", Wiley, New York, (I963), mit Hinweis auf Einzelheiten bei der selbsttätigen Erfassung der Teilchengröße.

Die derzeit vorhandenen Meßgeräte für Teilchengrößenerfassung zeigen, daß Interesse vor allem für die Entwicklung von Geräten zum Einsatz in Laboratorien besteht, um diskrete bzw. vorbestimmte Prüfraengen von Teilchen enthaltenden Gase oder

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SAD ORIGINAL

Flüssigkeiten zu untersuchen. Jedoch besteht für verschiedene industrielle Verfahren eine dringende Notwendigkeit nach einer Ausrüstung, die in der Lage ist, eine Teilchengrößenverteilung in halbdurchsichtigen flüssigen Aufschlämmungen auf einem Weg und in wahrer Zeit bei Strömungsgeschwindigkeiten, die bis 22,5 - ^5 Liter/min, betragen, zu bestimmen. Die Aufgabe, die in Flüssigkeiten enthaltenen Teilchen bzw. Partikel zu klassifizieren, ist von großer Bedeutung bei der Erzraffinerie, Lebensmittelverarbeitung, der Sedimentation, der Untersuchung der Aufschlämmungen und trüben Medien und auf anderen Gebieten.

Geräte zur selbsttätigen Untersuchung von Teilchen auf elektrooptischer Grundlage sind beschrieben von M. A. Fisher und anderen im Aufsatz "Instrumental Methods of Particle Counting and Size Measurement", ein Bericht von der 11. Industrie-Abfall-Konferenz, Illinois Institute of Technology (1957)· Die in diesem Zusammenhang auftretenden Fehler werden meist als Koinzidenzfehler, Randfehler, Gestaltkoeffizientfehler und ferner als solche Fehler bezeichnet, welche das Rauschen und die Bandbreiten-Begrenzungen in elektronischen Schaltungen erhöhen.

Koinzidenzfehler treten auf, wenn a) die Teilchen mehr als einmal gezählt werden, wenn b) die Teilchen durch andere Teilchen abgedeckt werden oder c) der Tastpunkt bzw. Tastfleck größer als einige im Feld vorhandene Teilchen ist, was dazu führt, daß mehr als ein Teilchen gleichzeitig abgedeckt wird.

Randfehler rühren von Teilchen her, welche an Feldrändern oder längs einer kleineren Sehne abgetastet werden, da ein Signal erzeugt wird, das nicht auf den mittleren Durchmesser des Teilchens bezogen werden kann.

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Der Gestaltkoeffizient verursacht insofern Fehler, weil nicht-sphärische Teilchen längs einer jeden Sehne abgetastet werden können, je nach der Orientierung des TedLchens in dem abzutastenden Feld.

Der Erfindung liegt einmal die Aufgabe zugrunde, diese Fehler zu vermeiden, wobei ein hinsichtlich der Beugung (Zerstreuung) und Brechung begrenzter Abtastpunkt verwendet wird und die statistische Eigenart der Aufgabe vorteilhaft ausgenutzt wird.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine a Kammer mit mindestens einem Paar von durchsichtigen gegenüberliegenden Wänden aufweist, ferner eine Eingangs- und eine Ausgangsstelle, und Bauteile vorhanden sind, um die Eingangs- und die Ausgangestelle zu einer Leitung zu verbinden, in der die Flüssigkeit fließt, sodaß ein Probevolumen odgl. von vorbestimmter Größe bzw. Geschwindigkeit entnommen werden kann und Vorkehrung getroffen ist, daß die Flußrichtung durch die Kammer vorbestimmt ist, wobei diese Vorrichtung ferner eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahles aufweist, welche

j die Wände als auch die Prüffltissigkeit durchsetzt, wobei ferner Bauteile vorgesehen sind, welche diesen Strahl durchqueren und eine schwingende Abtastung längs des strömenden Stoffes, im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung, ausführen, wobei f noch fotoelektrische Bauteile derart angeordnet sind, daß sie durch den den Stoff durchsetzenden Strahl erregt werden und eine Pulsfolge abgeben, deren Informationsgehalt die Größe und Verteilung der Teilchen enthält, und daß ferner eine elektrische Schaltung am Ausgang dieser fotoelektrischen Bauteile vorhanden ist, um die Pulse, je nach vorbestimmter Klassifizierung, in Gruppen einzuordnen.

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Somit betrifft die Erfindung bzw. ihre weitere Ausgestaltung eine elektro-optische, zur Überwachung bzw. Erfassung der Texlchengrößenverteilung dienende Vorrichtung, die kontinuierlich arbeitet, und die Abtasttechnik eines fliegenden Punktes bzw. fliegenden Fleckes verwendet, wobei ein 2-dimensionaler Abtaster ein Feld von beweglichen Teilchen überquert. Die horizontale Richtung der Abtastung wird vorzugsweise durch Verwendung eines fokussierten Laserstrahles in Verbindung mit einem schwingenden Spiegel erreicht, wobei eine zusätzliche Optik für die weitere Verringerung des Laserstrahles verwendet wird, und somit das Auflösungsvermögen der Vorrichtung hinsichtlich der Teilchengröße vergrößert wird. Die vertikale Abtastrichtung wird mit Hilfe des Flüssigkeitsflusses durch eine transparente Prüfkammer erreicht, welche von dem horizontal abtastenden Punkt durchdrungen wird.

Nachdem der Strahl die Flüssigkeit durchsetzt hat, trifft er auf eine schnelle empfindliche Fotodiode oder einen äquivalenten Fotodetektor. Die den Strahl aperiodisch schneidenden Teilchen unterbrechen das Licht, welches somit den Fotodetektor erreicht und dort ein aperiodisches Signal erzeugt, welches die Information hinsichtlich der Größe und der Verteilung der Teilchen enthält. Die zur Prüfung verwendete Strömung gelangt unverändert zum Arbeitsverfahren zurück, nachdem sie die Prüfkammer durchflossen hat.

Das Signal wird in einer Schaltung von niedrigem Lärmpegel und hoher Verstärkung verarbeitet, wobei die Information hinsichtlich der Größe und Verteilung der Teilchen in Gestalt einer Folge von Pulsen unterschiedlicher Breite und vorbestimmter Amplitude entzogen wird, d.h. die Breite jedes Pulses ist analog der Teilchengröße. Eine digitale Logikschaltung oder ein digitales Zählwerk wird zum Zählen der Pulse verwendet, welche in

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vorbestimmte Größenbereiche fallen, sodaß verschiedene Summenwerte in Registrierbauteilen erfaßt bzw. gespeichert werden. Die Anzahl der Bereiche und der Umfang eines jeden einzelnen als auch das Verfahren zur endgültigen Anzeige bestimmt sich nach der Art der jeweiligen Anwendung.

Die Prüfung des die Teilchen enthaltenden strömenden Stoffes, entweder einer Flüssigkeit oder eines Gases, erfolgt kontinuierlich, d.h. die zu untersuchende Flüssigkeit oder das Gas wird durch eine Kammer von vorbestimmtem gleichförmigem Querschnitt über eine vorbestimmte Strecke geleitet.

Die Flußgeschwindigkeit ist einstellbar und wird den Einzel- Λ bedingungen angepaßt. Für einen typischen Anwendungszweck, d.h. zur Prüfung halbdurchsichtiger flüssiger Aufschlämmungen oder trüber Medien, ist die Geschwindigkeit etwa 3 m/sec (3 Mikron/MikrοSekunde),wenn die Sollflußgeschwindigkeit 3^ l/Min, beträgt. Eine handelsübliche zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für Teilchen des Bereiches 5 bis 2000 Mikron in Flüssigkeitskonzentrationen von etwa

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10' bis 10 Teilchen pro Milliliter, was vom Größenbereich und der Dichte abhängt. Die Strömung wird der Kammer durch einen einzeln an sich hinsichtlich seiner geometrischen Form bekannten Übergang oder Leitung zugeführt. Hierdurch wird eine zufällige Verteilung der Teilchen der Größe und der Richtung nach über das Abtastgebiet sichergestellt. Da bei ™ Teilchen bis 2000 Mikron mit Dichten bis zu h g /ecmdie Endgeschwindigkeit in Wasser nach Stokes etwa 8 m/sec. beträgt, kommt es in der Kammer zu keinem nennenswerten Niederschlag, wenn diese etwa 18 cm Höhe hat. Infolge dieser erfinderischen Ausgestaltung werden die Ges ta L tkoef fiziexitf ehler der nichtsphärischen Teilchen aufgrund der statistischen Mittelbildung herabgesetzt, welche sonst beim Abtasten auftreten würden.

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Der Abtastpunkt bzw. -fleck wird einem Lichtstrahl, dem Laserausgang oder einer anderen Lichtquelle entnommen, z. B. einer Thallium- oder Ultraviolettlichtquelle, welche auf einen Punkt fokussiert wird, der einen Airy-Durchmesser von etwa 10 Mikron hat. Für eine Ausführungsform der Erfindung wird ein Laser verwendet. Die Abtastung längs der horizontalen Achse beträgt genau 1000 cps. (+1$) in dem beispielhaft angegebenen'System.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Strömung mit Hilfe eines Spiegels abgetastet, der auf einer angetriebenen Stimmgabel restigt ist, welche um einen Winkel von etwa 6° schwingt. Solcher Bauteil ist sehr zuverlässig und außerordentlich billig. Venn auch die Abtastung als solche nicht zur Verwendung kommt, wird ein ausgewählter linearer Teil jaier Schwingperiode ausgenutzt bzw. steht zur Ausnutzung zur Verfügung .

Da lediglich Teilchen, die kleiner als 10 Mikron im Durchmesser sind, in der Fokalebene des Abtastpunktes beitragen können und weil der untere Bereich der Vorrichtung 5 Mikron oder weniger, hier 5 Mikron, beträgt, werden die Fehler, welche von gleichzeitiger Abtastung von mehr als einem Teilchen in der Fokalebene herrühren, tatsächlich eliminiert. Es ist ersichtlich, daß nur ein Teil der gesamten Abtastung zum Zählen benutzt wird, wodurch in vorteilhafter Weise Schwierigkeiten nichtlinearer Art, verbunden mit einer sinusförmigen Abtastung, unterdrückt werden. Bei einem Sollfluß von 3^ l/min, und den vorgegebenen Abtastbedingungen kann man verifizieren, daß Teilchen von etwa 4000 Mikron mittleren Durchmessers einmal mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,0 abgetastet werden, und daß die Abtastwahrscheinlichkeit von kleineren Teilchen mit abnehmender Teilchengröße ebenfalls abnimmt. Dies trägt aber zur Verringerung der Koinzidenzfehler in der Fokalebene bei.

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Nachdem der Strahl die Prüfkammer durchsetzt hat, trifft er auf einen Fotodetektor und ein hiervon herrührendes Signal wird einem frequent-selektivem Verstärker zugeführt, der zur Unterscheidung und Bandbegrenzung des Signals dient. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird Detektoren mit positivem bzw. negativem Niveau zugeführt, welche wieder aufladbar odgl. sind und eine Anpassung hinsichtlich der Amplitude und der

gewährleisten

Hysteresis'^ um einen maximalen Austausch zwischen Empfindlichkeit und Rausch- bzw. Lärmunterdrückung zu erhalten. Die Netzwirkung des Verstärkers und der Detektoren soll ein "Einengen" der wirksamen "Feldtiefe" in der zu prüfenden Flüssigkeitssäule erzielen und eine Pulsfolge erzeugen, die dem vorderen " und rückwärtigen Rand der geprüften Teilchen entspricht. Die dadurch erzeugten Pulse werden in rechteckige Pulse verwandelt, welche eine Breite aufweisen, die von der Größe und Relativstellung der jeweiligen Teithen abhängt. Die Folge der Pulse bildet die Eingangsleistung für eine logische Schaltung, welche die in den Pulsen enthaltenen Informationen in eine vom jeweiligen Verwendungszweck abhängige Gestalt überführt. Z. B. besteht die logische Schaltung aus Toren (Gattern) und Zählwerken, welche Pulse durchlassen, deren Breite bzw. Breiten den vorbestimmten Gruppen jeweils entsprechen.

¥ie vorstehend angegeben, wird nur ein Teil, z. B. ein Drittel, Λ der gesamten Abtastung für das Zählen verwendet. Diese wahlweise Ausnutzung wird durch Einschalten von Toren und Zählschaltungen erreicht mit Hilfe eines synchronisierenden Signales, das dem Abtaster entnommen wird. Die Randfehler werden vollständig eliminiert durch Schütteln bzw. Schwingen des genutzten Abtastteiles, derart, daß die Breite der Abtastung für jede Periode sich vergrößern kann. Dementsprechend werden die Tore der Zählkreise nicht unterbrochen, bis der Punkt am Ende eines Tastintervalls jedes Teilchen überstrichen hat. Bei einem maximalen Teilchendurchmesser von 2000 Mikron wird ein Tastbor

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bzw. Gatter einer Schüttel- bzw. Schwingbewegung etwa kO Mikrosekunden ausgesetzt, was ein verhältnismäßig kleiner Anteil der bevorzugten gesamten Torzeit von 333 Mikrosekunden, für den ausgenutzten Teil des Abtasters, ist.

Die auf Rauschen und Bandbegrenzung zurückgehenden Fehler werden auf ein Minimum unterdrückt, unter Berücksichtigung der Parameter des Fotodetektors und des Schaltkreises.

Es ist denkbar, daß nicht zu vermeidende Fehler infolge der 3-dimensionalen Struktur des Prüflings auftreten können. ψ An sich ist es tatsächlich nicht möglich, mathematisch das vom Fotodetektor abgegebene Signal zu der Teilchenverteilung in Beziehung zu setzen. In einem vorgegebenen Fall eines physikalischen Ablaufs jedoch kann man die statistischen Signalwerte, bezogen auf eine Gruppe von Prüfbedingungen, mit der Statistik der Teilchengrößenverteilung in Beziehung setzen. Diese Beziehung ist untersucht worden, und, wie es sich gezeigt hat, führen sie zu empirischen Beziehungen, welche erhärten, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren sich gut eignet für die Überwachung der Verteilung der Teilchengröße in physikalischen Ablaufen bzw. Verfahren.

fe Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit 13auteilen für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung, welche die Wechselbeziehung zwischen Abtastung und der beweglichen Teilchen zeigt,

Fig. 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Prüfkammer, 109824/1723

Fig. k ein Schaubild, welches den Ausgang des Fotodetektors und die durch Tore oder Blenden bestimmte Teile zeigt und

Fig. 5 eine Blockschaltung der ganzen Schaltung.

Im nachfolgenden wird der elektro-optische Abtaster beschrieben. Gem. Fig. 1 enthält er einen geeigneten Laser 10, z. B. einen HeNe Gas-Laser, der als Quelle eines gebündelten monochromatischen kohärenten Lichtes benutzt wird. Die Verwendung von monochromatischem Licht verbessert die Brennpunktseigenschaft λ der handelsüblichen Optik.

Durch Verwendung eines einzeln an sich bekannten Laserstrahles wird ein punktförmiger Fleck hoher Intensität und scharfer Begrenzung erzielt, unter Verwendung weniger optischer Bauteile, was die Verwendung Festkörper- Fotodetektoren niedriger Empfindlichkeit aber auch hoher Ansprechbarkeit bezüglich elektrischer Zustandsänderungen erlaubt. Als Lichtquellen verwendet man Thallium- und Gasentladungslampen hoher Intensität mit entsprechend engem Bandfilter. Der Laserstrahl erstredet sich durch eine Öffnung und erzeugt einen im we—eentlichen gleichmäßigen Strahl von 11 bis 18 mm Durchmesser. Dann wird der Strahl mit Hilfe einer einzigen Linse 12 von 120 mm Brennweite \ zu einem Fleck 14 fokussiert, der im wesentlichen beugungsfrei ist und einen Airy-Durchmesser von etwa 10 Mikronen hat. Die Anforderung hinsichtlich eines monochromatischen Strahles, um diesen Fleck zu fokussieren, wird im wesentlichen durch die Verringerung des Auflösungsvermögens des Fleckes durch die chromatische Aberration der Optik vorgeschrieben. Versuche haben ßezeigt, daß es billiger ist, eine handelsübliche Lichtquelle /Ai fiLtetn und haridelaüb Liehe, einfachere Bauteile zu verwenden statt hochwertige achromatische zusammengesetzte Linsen v,\\ verwenden.

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Der Strahl 14 trifft auf den Spiegel 15 auf, der auf einer angetriebenen Stimmgabel 16 befestigt ist, derart, daß der Strahl 17 einer horizontalen Ebene um einen Winkel von etwa 6 schwingen kann. Die Stimmgabel wird bei 1000 Hz durch einen geeigneten (nicht dargestellten) Schwinger betrieben. Derartige Stimmgabeln sind durch Frank Dostal in der Zeitschrift International Electronics, Ausgabe März 1966, Seiten 1-6, beschrieben. Die Tastfrequenz ist so ausgewählt, daß das Feld der Teilchen viele Male überstrichen wird. Die Parameter des Ausführungsbeispiels sind so ausgewählt, daß eine Abtastung von 3,2 cm in der Tastebene erreicht wird. Bei dieser Anordnung ist die maximale horizontale Tastgeschwindigkeit in der Mitte des Tastbereiches

1 ,6-WJ-cm/sec = 1,6 . (2"jf) . (5OOJ cm/sec. ^.

¹^- 5 χ 10 cm/sec. = 50 Mikron/jVlikr ο Sekunde

Unter diesen Arbeitsbedingungen wird der Fleck, wenn er von 10 Mikron übersteigenden Teilchen in der Brennebene gekreuzt wird, für etwa 200 Nanosekunden ausgeblendet. Teilchen, die kleiner als 10 Mikron sind, durchqueren lediglich einen Teil des Strahles und erzeugen deshalb Pulse von niedrigerer Amplitude mit steilerer Pulsanstiegsflanke eis die großen Teilchen. Die Grenze, innerhalb der kleinere Teilchen durch dieses Verfahren erfaßt werden können, ist prinzipiell durch die Rauschcharakteristika des Fotodetektors bestimmt. Jedoch liegt die noch gewünschte untere Grenze von 5 Mikron oder weniger noch durchaus innerhalb des Auflösungsvermögens des Fo todetektors,

Fig. 2 veranschaulicht die relative Lage zwischen Tastfleck und den beweglichen Teilchen. Um ihr Verhältnis zueinander, unter Berücksichtigung der zeichnerischen Beschränkung hinsichtlich der Statistik, zu veranschaulichen, werden die Teilchen als ortsfest und der Strahl als eine Folge von Zick-

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Zack-Linien darstellt. Das Abtasten erfolgt in einer horizontalen, die Bewegung der Probeflüssigkeit in einer vertikalen Richtung.

Der Tasterstrahl 17 durchsetzt die Prüfkammer 21, Fig. 3, und gelangt in eine rechteckige PIN Silizium Fotodiode 23 oder eine andere fotoelektrische Einrichtung. Die Fotodiode gemäß Beispiel hat eine Ansprechbarkeit in der Größenordnung von

-14 10 Nanosekunden, einen niedrigen Rauschpegel von 10 Watt und eine Empfindlichkeit von 0,5 /uA/zuW. Diese Ansprechbarkeitszeit und diese Rauschcharakteristika stellen eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, und die niedrige Empfindlichkeit wird ausreichend ausgeglichen durch Verwendung eines f hochintensiven Lasers als Lichtquelle. Der Detektorausgang wird mit der Folgeeinrichtung für die Signalverarbeitung über einen Pufferverstärker gekoppelt. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Anstiegszeit des Fotodetektors klein, insbesondere niedriger als 10 Nanosekunden, gewählt, sodaß die Vorder- und Hinterflanken der 100 Nanosekunden dauernden Pulse, die kleinen Teilchen angepaßt sind, hinreichend aufgelöst und erfaßt werden können. Für verschiedene Anwendungszwecke kann man deshalb vorteilhaft fotoempfindliche Halbleitereinrxchtungen und Fotomul- : tiplierröhren verwenden. Halbleitereinrichtungen vereinfachen in vorteilhafter Weise die Schaltung.

Die gem. Beispiel verwendete Prüfkammer 21, schematisch und perspektivisch in Fig. 3 dargestellt, ist für eine Flußgeschwindigkeit von 45 l/min einer Aufschlämmung vorgesehen, derart, daß eine rückflußfreie Verteilung der Teilchen über einen Sichtquerschnitt von etwa 6,4 χ 50, 8 mm entlang eines optischen Weges von 3,2 ram erreicht wird. Bei der vorgegebenen Flußgeschwindigkeit bewegen sich alle Teilchen durch den Sichtquerschnitt mit etwa 2 Mikron/MikrοSekunden Geschwindigkeit, was wesentlich weniger als die horizontale Tastgeschwindigkeit und viel mehr als die Stokes¹ solle Geschwindigkeit für all· zu berücksichtigenden Teilchen ist.

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Eine wichtige Eigenschaft der Prüfkammer liegt darin, daß sie einen Fluß des zu prüfenden Stoffes in einem schmalen Flächenbereich ermöglicht. Auf diese Weise erreicht man, daß wenn der Strahl etwa in der Mittelebene dieser Kammer fokussiert, wobei diese Mittelebene senkrecht zur Strahlachse liegt, die Masse der Teilchen in der Brennebene sich bewegen und mit optimaler Wirkung der Abtastung unterliegen.

Durch das Zusammenwirken der Flüssigkeitsbewegung und der horizontalen Abtastung soll ein der Abtastung dienendes Raster des Teilchenfeldes im Verhältnis 25 : 1 von horizontaler zu vertikaler Abtastung erreicht werden. Verwendet man diese Arbeitsbedingungen, werden alle Teilchen von 1000 Mikron Größe, die sich in der Nähe der Brennebenenmitte befinden, einmal durch den Tastfleck überstrichen. Die Wahrscheinlichkeit, daß kleinere Partikel mindestens einmal überstrichen werden, verringert sich mit sich verringernder Teilchengröße.

Die Zu- und Abflußleitungen der Prüfkammer und die geometrische Form der Kammerenden ist so vorgesehen, daß ein Übergang vom zylindrischen Rohr zu einem quaderförmigetn Raum erfolgt, um eine gleichmäßige Teilchenverteilung, unabhängig von der Größe zu gewährleisten, und eine gleichmäßige Vermischung der Teilchen zu erreichen, sodaß man in vorteilhafter Weise den Gestaltkoeffizienten der Teilchen, die nicht sphärisch sind, berücksichtigt .

Der elektronische Teil der Vorrichtung dient vornehmlich folgendem Zweck:

1. den Informationsinhalt hinsichtlich des linearen Teiles der Abtastung zu liofern.

2. eine Unterscheidung zwischen Teilchen in dor Brennebene und solchen außerhalb dieser Ebene /u treffen.

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3. Zwischen Pulsbreiten (zeitlich.) zu unterscheiden und solche Breiten in illassen einzuteilen.

4. Die Pulsanzahl jeder Klasse zu speichern für die nachfolgende Auszählung.

Im Schaubild gem. Fig. 4 sind 1 1/2 Tastperioden dargestellt mit einer Amplitude (Tasterbreite) auf der Ordinate X(t). Der lineare Teil jeder Periode entspricht ί 30° der Sinusschwingung und wird mit Hilfe eines Gatters bzw. Blende wie nachfolgend angegeben, zur Auswertung herausgeblendet. Im Bereich der Blende ist die Tastgeschwindigkeit gem. Beispiel

liegt
etwa konstant und^bei 50 Mikron/MikrοSekunde.

Die Pulsunter scheidung und Pulsdarstellung erfolgt folgendermaßen:

Das Ausgangssignal des Fotodetektors 23 wird einem selektiven 2-Stufenverstärker 101 bzw. 101a zugeleitet, welcher jeweils die Pulse hinsichtlich Amplitude und Frequenzinhalt unterscheidet. Die Pulse, die vorbestimmte Werte hinsichtlich Amplitude und Frequenzinhalt erzielen, werden verarbeitet bzw. durchgelassen, andere Pulse unterdrückt. Jeder der Verstärker 101 und 101a enthält eine veränderliche Verstärkerregelung von 100 bis 1000. Hierdurch wird eine lineare Arbeitsweise der Verstärker über einen weiten Bereich der eingehenden veränderlichen Werte erreicht. Der Ausgang der zweiten Stufe wird Detektoren mit positivem bzw. negativen Niveau und einen den Puls formenden Torstromkreis 103 zugeführt.

Wenn die Vorderflanke des Teilchenpulses geprüft und für zulässig befunden ist, so verhindern andere Schaltungsteile, daß vom Nachbarteilchen herrührende Pulse die Fensterreihe des Zählwerks erregen, und/oder in ein solches Fenster gelangen.

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In diesem Zusammenhang wird unter "gelangen" der Einschluß eines Informationspakets verstanden, das, sofern es nicht unterdrückt wird, in einem größeren Zählwerk gem. dieser Verfahrensschritte eine Störanzeige ("Dreckeffekt, Gras'J ergäbe.

Diese Verfahrensschritte erreicht man mit Hilfe eines R-S

ssroße Flip-Flop-Multivibrators 105, dessen EingapgVvon Detektoren 103 mit positivem und negativem Niveau über einenLeite'r 108 entnommen wird. Der während einer Folge der Fenstererregung vorhandene Sperrpuls wird über Leiter 110 zur Torschaltung, die den Puls formt, geleitet, wobei der Ausgang dieser Schaltung eine Rechteckwelle ist, die den Ausgang des negativen Detektors sperrt und vom Generator I05 fern hält, wenn der Sperrpuls vorhanden ist. Ferner wird die Rückflanke des Sperrpulses durch den Summenzähler gezählt, da diese Flanke nur vorhanden sein kann, wenn ein Teilchen genehmigt ist und eine Fensterfolge erzeugt bzw. erregt ist.

Amplitudenbegrenzer: Der Amplitudenbegrenzer 115, der manchmal ein Amplitudengatter oder ein Zerhacker genannt wird, überträgt nur denjenigen Teil des Signaleinganges über Leiter 108 zum Eingang 117» der zwischen die positiven und negativen Amplitudenbereiche fällt.

Der vom Abtaster kommende Synchronisierungsimpuls 118 wird einem geeigneten Transistor, z. B. dem handelsüblichen Transistor 2N39-O3, innerhalb des Amplitudenbegrenzers 115 zugeführt und gelangt dann in den nicht dargestellten Puffer-Verstärker, wird dann zweimal in einem Hexoden-Inverter invertiert und dann einer Kette von monostabilen Multivibratoren zugeführt. Die letzteren sind so geschaltet, daß 2 von ihnen mit einer Pulsdauer von 0,33 Millisekunden zentrisch den Mittelpunkt der sinusförmigen Abtastung, Fig. k, erfassen.

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Diese hier interessierenden beiden Pulse werden in ein Uder-Gatter gespeist. Die Ausgangsleistung dieses Gatters wird dem bereinigten Eingang des Multivibrators 105 zugeleitet, was ein Schütteln bzw. Vibrieren der Rüakflanken der Pulse gestattet. Dementsprechend wird die Rückflanke entweder vom Amplitudenbegrenzer oder von der Rückflanke des Sperrpulses, wenn einer vorhanden ist, (dies ist die zweitrangige Erzeugungsmöglichkeit) erzeugt. Wenn also ein Teilchen am Ende der Amplitudenbegrenzerperiode vorhanden ist, bleibt das Amplitudensignal vorhanden, bis der Puls gebildet und ausgemessen bzw. ausgewertet ist.

Gruppen- bzw. Klassenbildung; Der Teilchenpuls und die serienweise anfallenden Fensterpulse werden einer Folge von Nand-Gattern 119 zugeführt, dessen Ausgänge über einen Leiter 122 den Eingängen von Binärzählerkanälen 125, in Fig. 5 als Anzeigeglieder 1, 2, 3» ^- und 5 dargestellt, über einen Leiter 127 zu einem "Gesamtsummen"-Anzeiger 128 zugeführt.

Sind die Anzeiger durch einen Puls des Rückstellers 131 Null gesetzt, befinden sich alle ihre Ausgänge in dem logischen Zustand"Eins" mit Ausnahme des Gesamtsummen-Anzeigers, dessen erstes Bit in den Zustand "Eins"zurückgestellt ist, während ^; alle/anderen auf den Zustand Hull"zurückgestellt sind, wobei die Zählung auf 1 vorgerückt ist. Der Ausgang des Gesamtsummen-Anzeigers wird dem Eingang eines JK-Flip-Flop-Multivibrators .133 zugeführt. Dementsprechend, wenn eine Zählung von 4095 durch den Gesamtsummen-Anzeiger erhalten wird, verschiebt sich dieser in den Zustand "alles Null" und verursacht einen Leistungsausgang vom Multivibrator 133. Dieser Ausgang wird (nicht dargestellt) geeigneten Gattern zugeführt, um die Arbeit des Zählers zu unterbrechen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Gesamtsummen-Anzeiger in dem Zustand "alles Null", während Einzelanzeiger 1, 2, 3, h und 5 in einem Zustand sind, die die Anzahl der Teilchenpulse bezeichnet, die zulässig sind und deren Breite kleiner oder gleich dem entsprechenden Fenster zu dieser Zeit, aber in ein Binärkode invertiert ist.

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Arbeitsweise; Die elektronische Folgeschaltung wird an die Spannung wie Netzspannung über einen nicht dargestellten Ein-Aus-Schalter angeschlossen.

Durch Betätigung eines geeigneten Schalters wird der Laser über eine vorbestimmte Triggerspannung erregt.

Die Prüf flüssigkeit wird bei einer Konzentration von 1,5 uew.^c/ und bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 22,5 und 45 Ltr./Min. eingeführt.

Um die Zählanzeige zu erhalten, wird die Rückstellung I3I von Hand betätigt, dann der Einschaltknopf bzw. der Schalter der elektronischen Folgeschaltung eingedrückt. Die Gesamtschaltung zählt insgesamt 4095 und wird dann selbsttätig unterbrochen. Die Zählung jedes Einzelanzeigers 1, 2, 3t 4 und 5 wird in Binärform dargestellt, um über ein Voltmeter ausgelesen oder ausgedruckt zu werden, oder dieser ist einemDigital-Auslesesyst-em zugeschaltet, das ein zugehöriges Multiplexsystem enthält. Für jede neue Zählung wird das Verfahren bzw. der Ablauf wiederholt.

Um selbsttätig periodisch die Start-Rückstellungsperiode der Gesamtschaltung zu bewirken, kann ein entsprechendes Befehlssignal verwendet werden. Für diese Ausführungsart benötigt man ein automatisches Auslesesystem, um zu lesen und zu speichern, oder um in jedem Einzelanzeiger die Zählung darzustellen.

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Claims

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Procedyne Corporation
Patentanspruch e

Verfahren zur elektro-optischen Messung der in einem strömenden Stoff suspendierten Teilchenverteilung in Abhängigkeit von der Zeit, wobei eine zu prüfende Probe des Stoffes eine durchsichtige Wände aufweisende Prüfkammer durchfließt, unter Verwendung eines abtastenden Lichtstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl zu einem punktförmigen Tastfleck konvergiert und in einer senkrecht zur Flußrichtung ausgerichteten Ebene in Schwingungen versetzt wird und seine an den Teilchen gestreute odgl. bzw. den Stoffluß durchatzende Lichtanteile in elektrische Spannungspulse umgewandelt werden, deren Amplitude und/oder Periode analysiert und diese Pulse in eine Mehrzahl von Gruppen vorbestimmter Pulgröße sortiert und der Pulszahlenwert jeder Gruppe angezeigt und/oder registriert wird.

2. Verfahren nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastgeschwindigkeit wesentlich größer als die Flußgeschwindigkeit des die Kammer durchsetzenden Stoffes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der punktförmige Tastfleck eine im wesentlichen harmonische Bewegung bzw. Schwingung ausführt, und die gestreuten odgl. Lichfcanfceile unterschiedlicher Intensität des durchgehenden Lichtes in Pulse umgeformt werden, welche die durch die harmonische Bewegung bzw. Schwingung dargestellte sinusförmige Welle modulieren.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur der wesentliche lineare Anteil der modulierten Sinuswelle in der Analyse ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumen- bzw. Mengengeschwindigkeit des zu prüfenden Stoffes konstant gehalten und das Sortieren der Pulse in Abhängigkeit des Verhältnisses Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit in der Prüfprobe erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Beugung, Streung bzw. Reflexion des punktförmigen Tastflecks in der vertikalen Mittelebene der fließenden Prüfprobe, welche im wesentlichen rechtwinklig zur Mittellage des Flecks erfolgt, begrenzt wird.

7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine monochromatische Lichtquelle aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile bzw. eine Leitung für einen vertikalen Fluß des Prüflings sowie Abtastmittel vorhanden sind, die eine horizontale Abtastung ergeben.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bauteile, die eine im wesentlichen harmonische Abtastbewegung bzw. -Schwingung ergeben.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gruppierenden bzw. sortierenden Bauteile nur zur Auswertung eines linearen Anteiles der Tastperiode ausgebildet sind.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung Gatter, Tore oder Blenden aufweist, während die den Strahl erzeugende Vorrichtung eine Synchronisationseinrichtung enthält, dessen Synchronisationssignal den Beginn und das Ende bestimmt, während der diese Gatter odgl. wirksam sind, um so den linearen Anteil der Tastperiode zu erzeugen.

13· Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sortiermittel vorhanden sind, die den statistischen Mittelwert der Verteilung und der Größe der Teilchen anzeigen.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Strahl ein schwingend gelagerter Spiegel vorhanden ist, auf den der Strahl auffällt, und daß der Spiegel mit einem auf ihn einwirkenden Schwinger in Verbindung steht, derart, daß der Spiegel mit der Tast— frequenz und Tastamplitude in Schwingung versetzt wird und das vom Spiegel reflektierte Licht den Tastfleck bzw. den Tastpunkt bildet.

15· Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine konvergierende Optik zwischen der Lichtquelle und der den Strahl zum Prüfling ausrichtenden Einrichtung vorhanden ist, derart, daß der Tastfleck in einer parallel zur Flußrichtung liegenden Ebene und im wesentlichen zwischen den Kammerwänden auf einen Punkt fokussiert wird.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sortier- bzw. Gruppierbauteile eine Einrichtung zur Zählung der Pulse und zur Registrierung der Folgenummer jeder Gruppe aufweist.

1098 24/1723

17. Vorrichtung nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, daß die klassifizierenden bzw. gruppierenden Bauteile eine Einrichtung aufweisen, die die Teilchen in der Ebene und außerhalb dieser Ebene unterscheiden.

18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfkammer eine derartige Gestalt aufweist, daß der zu prüfende strömende Stoff, beim Passieren des Tastfleoks,einen Querschnitt in Form einer dünnen Scheibe hat.

19· Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel auf einer Stimmgabel befestigt und die Stimmgabel mit einem Schwinger gekoppelt ist, derart, daß dieser die Gabel mit der Tastfrequenz antreibt.

20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strahl und der^Strahl erzeugenden Einrichtung eine Optik vorhanden ist, welche den Tastfleck hinsichtlich der Beugung oder Brechung begrenzt .

21. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 1 Amplitudenbegrenzer im Signalausgang vorhanden ist , sodaß die Pulse auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau geschaltet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung für den Signalausgang, um von benachbarten Teilchen herrührende Zählpulse zu vermeiden, Erregerteile für den Zähler aufweist , um nach Durchlassen der Anstiegsflanke des durchzulassenden Teilchenpulses das Zählwerk

zu erregen.

1 0982 W1 723

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