DE2163906C3 - Vorrichtung zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von in einem flüssigen oder gasförmigen Medium suspendierten Partikeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der US-PS 32 59 842 bekannten ArL

Die hier in Rede stehende Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip, daß ein in einem flüssigen oder gasförmigen Medium suspendiertes Partikel beim Passieren einer Meßzone (allgemein: Einrichtung, die in dem Suspensionsmedium einen begrenzten Pfad bildet) die Impedanz der Suspension in dieser Meßzone um einen Wert ändert, der eine Funktion der Partikelgröße ist. Dementsprechend wird eine Suspension der Partikeln, die beispielsweise hinsichtlich ihrer Anzahl und/oder Größe untersucht werden sollen, vorbereitet und in ein Gefäß gegeben, wobei ein zweites Gefäß mit einer kleinen öffnung in einer seiner Seitenwände in dieses erste Gefäß eingetaucht wird. Auf das zweite Gefäß wird eine Saugkraft ausgeübt, die die Suspension durch die öffnung zieht; die dabei durch die Partikeln bewirkten Impedanzänderungen werden gemessen.

Der grundsätzliche Aufbau der Apparatur des hier verwendeten generellen Typs ist aus der eingangs genannten Druckschrift und der US-PS 26 56 508 bekannt.

Die einzige Fluid-Verbindung zwischen den beiden Massen besteht durch die öffnung, d. h. den Mediumpfad. An den beiden Gefäßen und relativ zu ihren jeweiligen Suspensionsmassen ist ein Elektrodenpaar vorgesehen, so daß in der Öffnung ein elektrisches Feld besteht. In der einfachsten Anordnung taucht auf den entgegengesetzten Seiten der Öffnung jeweils eine Elektrode in das betreffende Gefäß ein. Von diesen Elektroden führen jeweils externe Leitungen an den Eingang einer Zähl- oder Meßschaltung. Auf Grund des an den Elektroden anliegenden Potentialunterschieds fließt zwischen den Elektroden durch die jeweiligen Fluidmassen Strom durch die Meßzone. Sooft ein Partikel durch die Meßzone gezogen wird, tritt in der in ihr enthaltenen Masse eine wahrnehmbare Impedanzänderung auf, die ein von der Meßschaltung zu messendes und zu zählendes Signal erzeugt.

Schwankungen der statischen Impedanz der in der Öffnung bzw. Meßzone enthaltenen Masse, die langsam vor sich gehen können, werden durch viele Faktoren verursacht, darunter durch Temperatur, Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante des Mediums sowie Änderungen der Dimension der öffnung, falls unterschiedliche innere Gefäße zur Untersuchung verschiedener Charakteristiken der Partikeln ausgetauscht werden. Derartige Schwankungen der statischen Impedanz verursachen Änderungen der Eichung der Meßschaltung, der Proportionalitätskonstante von Signalgröße zu Partikelvolumen und in ähnlichen Größen.

Bei dem Partikelanalysator nach dem Stand der Technik werden derartige Probleme dadurch gelöst, daß der Meßzonen-Strom durch eine geregelte Stromquelle konstant gehalten wird, deren effektive Impedanz praktisch unendlich ist, und daß weiterhin ein stromempfindlicher Meßverstärker bzw. -detektor benutzt wird, der an seinem Eingang eine für die in den Impulsen enthaltenen Frequenzen sehr niedrige Impedanz aufweist. Die Eingangsimpedanz des Detektors beträgt dabei einen kleinen Prozentsatz der Impedanz des

Mediumpfads.

Zu beobachten ist, daß überall dort, wo in der vorliegenden Schrift von elektrischen Eigenschaften der Meßzone die Rede ist, generell die Eigenschaften der in der Meßzone enthaltenen Masse oder, genauer, die Eigenschaften des Suspensionsfluidums innerhalb der Meßzone oder des Öffnungsbereichs gemeint sind, wie sie von den Kopplungselektroden wahrgenommen werden.

Andere ?artikelanalysatoren arbeiten mit einer ι ο geregelten Spannung und einem festen Serienwiderstand mit verhältnismäßig hohem Wert zur Erzeugung des Öffnungsstroms.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß Meßsignal mit möglichst einfachen Mitteln möglichst konstant zu halten. Das heißt, die Schwankungen der statischen Impedanz sollen sich auf die Eichung der Meßschaltung, die Proportionalitätskonstante der Signalgröße zum Partikelvolumen und auf ähnliche Größen nicht oder möglichst wenig auswirken, ohne daß hierfür ein großer Aufwand für die Stromkonstante der elektrischen Energiequelle und die Empfindlichkeit des Detektors getrieben werden müßte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst

Ein weiterer Vorteil, der auf dem erfindungsgemäßen Prinzip beruht, besteht darin, daß die Verwendung eines Transformators, eines Autotransformators oder sonstiger Impedanz-Anpassungs-Schaltungen am Eingang des Detektors möglich ist Neben weiteren Vorzügen gestattet dies die Auslegung des Detektor-Eingangskreises für optimale Anpassung hinsichtlich eines möglichst guten Rauschabstandes. Betragen beispielsweise die Eingangsimpedanz des elektrischen Detektors 10 kn, die Nennimpedanz des Mediumpfads 15 kQ und die Impedanz der elektrischen Energiequelle 30 kSl, so läßt sich die erforderliche Detektor-Eingangsimpedanz am leichtesten mit einem Impedanzanpassungs-Transformator erreichen. In diesem Fall kann ein Windungszahl-Verhältnis gewählt werden, das höchstmöglichen Rauschabstand gewährleistet, gleich welcher Verstärker verwendet wird.

Eine sehr wichtige Wirkung der Erfindung besteht darin, daß die Verwendung eines hochfrequenten Meßpfadstroms gewährleistet ist. Dieser Vorteil besteht deshalb, weil es bei hohen Frequenzen schwieriger ist, die Energiequelle mit unendlichem Widerstand zu erzeugen, die bei gewissen Coulter-Gleichstromzählern verwendet wird. Unter Verwendung von Wechselstrom bildet die Quelle für den Meßpfadstrom einen Oszillatorschwingkreis, d. h. einen Energie speichernden Resonanzkreis, und der Detektor und Eingangstransformator ist gegebenenfalls gewöhnlich so gewickelt, daß Kapazitäten gegen Erde ausgeschaltet sind. Die Technik der vorliegenden Erfindung erübrigt die Verwendung von Widerständen, deren Größe nahe unendlich oder nahe 0 ist, was bei Gleichstrom leicht, bei Hochfrequenz jedoch schwierig zu erreichen ist.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur < >s Partikelanalyse nach dem Stand der Technik, die mit einem stromempfindlichen Detektor mit Verstärker Fig.2 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zui Partikelanalyse, die mit einem spannungsempfindlicher Detektor mit Verstärker arbeitet,

Fig.3 einen Teil eines Ausfülirungsbeispiels eine! erfindungsgemäßen Schaltung mit der Darstellung dei Impedanzen der elektrischen Energiequelle, des Mediumpfads und des Verstärkers dargestellt sind,

Fig.4 ein Ersatzschaltbild für die Schaltung nach Fig.3, wobei die Impedanzen der Energiequelle und des Mediumpfads nach dem Helmholtz-Theo^rem zusammengefaßt sind,

F i g. 5 einen Teil einer zu der Schaltung nach F i g. 2 analogen Schaltung, in der jedoch ein Transformator mit dem Signaldetektor gekoppelt ist,

Fig.6 das Blockschaltbild einer Partikelanalysevorrichtung analog zu Fig. 1, bei der die Erregung durch Wechselstrom erfolgt,

F i g. 7 das Blockschaltbild einer Partikelanalysevorrichtung analog zu F i g. 2, bei der die Erregung durch Wechselstrom erfolgt und

F i g. 8 ein Diagramm zur Darstellung von Versuchsergebnissen bei der Untersuchung von Änderungen der Signalamplitude als Funktion von Änderungen der Impedanz des Mediumpfads und des Erregerstroms.

F i g. 1 und 2 zeigen in Form von Blockschaltbildern zwei prinzipielle Verbindungen zwischen einer elektrischen Energiequelle, einem Tastgerät und einem Detektor.

Die Schaltung 10 der F i g. 1 umfaßt eine elektrische Energiequelle 11, in Form einer Stromquelle, ein Tastgerät 12, eine statische Leerlauf- oder Arbeitsstromeinrichtung 13 und einen Stromverstärker 14. Die Stromquelle 11 weist hohe Impedanz bzw. einen hohen Innenwiderstand auf.

Die Energiequelle 11 und das Tastgerät 12 sind miteinander in Serie geschaltet. Die Arbeitsstrom-Einrichtung 13 liegt in Serie mit dem Verstärker 14, und diese Serienschaltung ist parallel zu dem Tastgerät 12 geschaltet. Bei Gleichstromerregung für das Tastgerät 12 kann es sich bei der Einrichtung 13 um einen einfachen Gleichstrom-Koppelkondensator handeln. Der Verstärker 14 hat eine Eingangsimpedanz, die in dem von den Signalen belegten Frequenzband unter derjenigen des Tastgeräts 12 liegt, und kann als stromempfindlich betrachtet werden. Die Arbeitsstrom-Einrichtung 13 und der Verstärker 14 bilden gemeinsam einen Detektor 15. Die statische Arbeitsstrom-Einrichtung 13 hat zwei Funktionen, die für das Hauptziel der Erfindung von sekundärer Wichtigkeit sind, nämlich (1) Verluste an Erregerenergie durch Ablenkung von dem Tastgerät zu verhindern und (2) Überlastung des Detektors mit der statischen Erregung, die im Vergleich mit den erzeugten Signalen sehr groß ist, zu vermeiden. Die Schaltung 20 der F i g. 2 umfaßt eine Energiequelle 21 in Form einer Spannungsquelle 21, ein Tastgerät 12, eine statische Kurzschluß-Einrichtung 23 und einen Verstärker 24. Die Kurzschluß-Einrichtung 23 und der Verstärker 24 bilden miteinander einen Detektor 25. Die statische Kurzschluß-Einrichtung 23 hat die gleiche Funktion wie die statische Leerlauf- oder Arbeitsstrom-Einrichtung 13 nach F i g. 1 und bildet deren duales Element. Die Energiequelle 21 weist eine geringe Impedanz bzw. einen niedrigen Innenwiderstand auf. Bei Gleichstromerregung des Tastgeräts 12 kann es sich bei der Kurzschluß-Einrichtung 23 um eine einfache Induktivität handeln. Bei hochfrequenter Wechselstromaussteuerung kann, wie weiter unten gezeigt wird, »in Matfiiiofl i/örtinanrigj \ν€Γ»€Γ· däS fed (JCT ΤΥίί£ϊ£ΠίΓ£~

quenz eine kleine Impedanz, jedoch bei den Frequenzen der die Partikelinformationen führenden Seitenbänder eine hohe Impedanz aufweist. Unvermeidbare Restimpedanzen können den Generator- und Verstärker-Eingangsimpedanzen zugeschlagen werden. Bezüglich der Schaltungsverbindungen zwischen diesen Elementen liegen die Energiequelle 21, der Detektor 25 und das Tastgerät 12 in Serie miteinander, während der Verstärker 24 zu der statischen Kurzschluß-Einrichtung 23 parallel geschaltet ist. Der Verstärker 24 hat eine Eingangsimpedanz, die wesentlich höher ist als die Impedanz des Tastgeräts 12, und kann als spannungsempfindlich betrachtet werden.

Fig.3 zeigt denjenigen Teil der Schaltung eines Partikelanalysators, der von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist. Dieser Schaltungsteil umfaßt eine elektrische Energiequelle E, bei der es sich — wie weiter unten erläutert — um eine Stromquelle oder um eine Spannungsquelle handeln kann. Der Schaltungsteil umfaßt ferner verschiedene Impedanzen, von denen die Impedanz R_s die innere Impedanz der elektrischen Energiequelle £ plus einer etwa vorhandenen externen Serienimpedanz ist. In einigen Ausführungsformen wird die Impedanz R₅ fast vollständig aus der Serienimpedanz bestehen. R_a ist die Nennimpedanz des Mediums innerhalb der öffnung in dem Tastgerät 12, die im folgenden als Nennimpedanz des Mediums bezeichnet wird. R ist die Eingangsimpedanz des Detektors A, und Rb dessen Rückkopplungsimpedanz.

Bei Untersuchung der Zusammenhänge zwischen diesen Impedanzen werden sie der Einfachheit halber als Ohmsche Widerstände angenommen. Aus diesem Grunde sind in Fig.3 und in der vorliegenden Beschreibung die Impedanzen mit dem Buchstaben R und nicht mit dem allgemein für komplexe Impedanzen üblichen Buchstaben Z bezeichnet. Zu beachten ist, daß der Öffnungsstrom nicht elektronisch geregelt wird, sondern daß zwischen der niederohmigen Energiequelle E und dem Nennwiderstand R_a des Mediumpfads einfach ein großer Widerstand R₅ liegt. Der Öffnungsstrom wird von der Spannung der Energiequelle und dem kombinierten Widerstandswert des Widerstands A₅ und des Pfadwiderstands R_a bestimmt. Ändert sich der Widerstand R_a infolge von Änderungen in den elektrischen Eigenschaften des Suspensions-Trägerfluidums von seinem Nennwert nach oben und unten, so schwenkt der Pfadstrom nur leicht, wenn der Serienwiderstand Rs viel größer ist als R_a, merklich dagegen wenn dies nicht der Fall ist.

In einem praktischen Versuchsbeispiel betrug R_s 700 kQ, während der Nennwiderstand R_a des Pfads 15 kΩ betrug. Änderte sich daher R, bei Schwankungen um seinen Nennwert zwischen 10 und 20 k£l, so schwankte der Pfadstrom um etwa ± 0,7%. Der Eingangswiderstand R des Detektors A war sehr niedrig, d. h, er betrug für alle praktischen Zwecke fast 0, so daß bei Erhöhung des Öffnungsstroms infolge eines Absinkens von R₁ das von einer die öffnung passierenden Partikel verursachte Signal am Verstärkerausgang um den gleichen Betrag anstieg. Zu beachten ist, daß der Ausdruck Signal hier im Sinne von »Signalgröße« oder »Signalamplitude« verwendet wird, wie sie am Detektorausgang zur Verfugung steht

Betrachtet man andererseits ein spannungsempfindliches System, d. h. den Fall, in dem der Verstärker 24 der F i g. 2 eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweist, so ist leicht einzusehen, daß bei Abnahme des Pfadwiderstands R₃ das von einem Partikeldurchgang erzeugte Signal proportional abnimmt, weil das Grundsignal, da die das meßbare Strom- und/oder Spannungs-Signa erzeugende Widerstandsänderung ist, stets einei bestimmten Prozentsatz des Pfadwiderstands R₁ be gegebener Partikelgröße beträgt. Gleichzeitig nimm der Öffnungsstrom um einen nur geringen Betrag zu, d< er grundsätzlich von dem Widerstand R_s der Energie quelle gesteuert wird.

Man hat somit eine Situation vor sich, bei dei

ίο einerseits in einem stromempfindlichen System eim Abnahme des Pfadwiderstands R₁ das Signal erhöht während andererseits in einem spannungsempfindlicher System eine Abnahme des Pfadwiderstands F_a dai Signal vermindert. Man kann daher annehmen, daß be einem zwischen den beiden Extremen liegenden Wer des Eingangswiderstands R das Signal weder zu- nod abnehmen darf.

Bei Berechnung der Signale für mehrere Wider standswerte R auf der Eingangsleitung wurde gefunden daß ein Widerstandswert von 300 Ω dazu führte, dal praktisch keine Änderung in dem Signal auftrat, wenr sich der Pfadstrom R_a von 10 auf 20 kΩ änderte unc wenn die übrigen Widerstandswerte denen des ober angegebenen Versuchsbeispiels entsprachen.

Fig.8 veranschaulicht in einem Diagramm di< Änderungen der Signalamplitude und des Pfadstrom: (Öffnungsstrom«) bei Änderung des Pfadwiderstandi R_a. In dem Diagramm ist an der Abszisse dei Pfadwiderstand R₃ im Bereich von 10 bis 20 kf aufgetragen. An der V-Achse sind die Änderungen dei Signalamplitude und des Öffnungsstroms in Prozent in Bereich von 0 bis ± 0,7% aufgetragen. Eingezeichne sind Kurven mit Parametern von 150 und 300 Ω für der Eingangswiderstand R des Detektors A. Wie leicht zi sehen, erhält man das beste Ergebnis, d. h., die kleinste Änderung in der Signalgröße, für einen Eingangswider stand R von etwa 300 Ω. Die Erkenntnis der Tatsache daß 15000 ungefähr das geometrische Mittel zwischer 700000 und 300 ist, veranlaßte eine Suche nach einei generellen Lösung mit Hilfe mathematischer Analyse Diese Analyse hat jetzt die Regel bestätigt, daß diesf Proportionen stets das gewünschte Ergebnis mit siel bringen.

Bei der Analyse wurde die Ausgangsspannung de:

Verstärkers 14 als Funktion sämtlicher beteiligtei Widerstände ausgedrückt, nach R_a differenziert, da: Differential gleich 0 gesetzt und diese Gleichung für der Detektor-Eingangswiderstand R gelöst Dieses Verfah ren wurde vorgenommen, weil in dem vorliegender Probelm R·. und R_a gegeben waren. Jede dieser dre Größen hätte jedoch als Unbekannte betrachtet werder können.

Die mathematische Ableitung verläuft folgenderma ßen:

Betrachtet man die in Fig.3 und 4 dargestellt« Schaltung, so läßt sich die Ausgangsspannung eo de: Detektors unter Verwendung des Helmholtz-Theorem: ausdrücken als

R+

R_s + R„

worin der Ausdruck

Ra + «Λ

den Pfadstrom darstellt,

der Ausdruck K R_a — AR die Widerstandsänderung infolge des Durchgangs eines Partikels durch den Pfad (K = 0,01% für rote Blutkörperchen in Salzlösung und eine Öffnung von 100 μ), der Ausdruck

R₁, + κ,

die Dämpfuni; infolge der Lastwirkung von R_s und der Ausdruck

R + R_s R_u R_s + R₁₁

Setzt man in Gleichungs (9) den Wert von M nach Gleichung (6) ein und vereinfacht man (die Zwischen schritte sind weggelassen), so erhält man die allgemeine Formel für die Relationen zwischen den Impedanzen R₅ R_a und R in der Gleichung:

R„ = R,

(10)

Geht man nun zum speziellen und gewöhnlichen Fall über, in dem der Widerstand der Energiequelle größer ist als der Öffnungswiderstand, d. h.

den Verstärkungsfaktor des Verstärkers nach der Rückkopplung.
Gleichung (I) läßt sich vereinfachen zu

so wird, da

R_u

Ir₁, + r[) (RR₀ + rr_s

= KER₁₁R₁,

Differenziert man nach R₁₁, so erhält man:

(2)

M² =

^R * M

(11)

Eine Größe α bildet per definitionem das geometrische Mittel zweier Größen b und c, wenn

R - 3K3 ^Λ* [(K + RJ (RR

+ RJ (RR₁₁ + RR_s + R_aR

(3)

oder

Um die Bedingungen herauszufinden, unter denen Änderungen in R_a die geringste Auswirkung haben, setzt man Gleichung (3) gleich 0. Löst man nach R auf, so erhält man

a = \bc

= be.

(12)

(13)

Soll R_a das geometrische Mittel aus R und R_s sein, so muß die Gleichung erfüllt sein

R =

R:.

= RR,-

R_s — R_u

Löst man nach R_a auf. so erhält man

(4) (14)

40 Verwendet man nun Gleichung (11) und setzt Gleichung (6) ein, so erhält man

R =

K.

R +

woraus sich

(5) p2 _

K_n —

(15)

(16)

Führt man der Einfachheil halber die Größe M ein, wobei

und setzt man

so erhält man

M =

R_s = MR₀ ,

^R =

R„.

(6)

(7)

(8)

Löst man Gleichung (8) nach R₀ auf, so ergibt sich _ M — 1

ergibt, was mit Gleichung (14) identisch ist. Damit ist gezeigt, daß sich die obenerwähnte Beobachtung, daß nämlich R, das geometrische Mittel aus R und R₅ ist, als theoretisch richtig erwiesen hat

Zur Veranschaulichung der Wirksamkeit der Erfindung soll im folgenden unter Verwendung von

SS Rechenwerten ein Fall betrachtet werden, bei dem bekannt ist, daB der Öffnungswiderstand irgendwo zwischen 10 und 20 kfi liegt und daß ein Serien-Energiequellenwiderstand von 700 kCl erforderlich ist, um den Pfadstrom auf den gewünschten Wert zu begrenzen. In diesem Fall sei angenommen, daß der nominelle Öffnungswiderstand 14 kß beträgt, was ungefähr das geometrische Mittel zwischen den zulässigen Extremwerten ist, se daß der Öffnungswiderstand um den gleichen Faktor nach oben und nach unten schwanken kann. Der Faktor Mwird dann gemäß Gleichung (6)

R.

(9) 700 000 1400Ö

= 50.

Die erforderliche Detektor-Eingangsimpedanz wird ihrerseits

1400012 """5(T

= 28012.

Nimmt man einen Modulationsgrad Jt von 0,01% und einen den Verstärkungsfaktor bestimmenden Rückkopplungswiderstand Rb von 100 kQ an und setzt man diese Werte in Gleichung (2) ein, so erhält man für die ι ο Signalspannung eo am Detektorausgang für verschiedene Ra die Werte der folgenden Tabelle

10000 Ω 14000Ω 20000 Ω

1,369555 χ 10-^J V 1,372560 χ 10-³V 1,369173 χ ΙΟ-³ V

Offensichtlich nimmt bei einem solchen Wert schon M das der Partikelgröße entsprechende Signal, das eine Modulation des Blendenwiderstands von 0,01% erzeugt, nur um 0,2% ab, wenn sich der Pfadwiderstand von seinem Nennwert auf einen der angegebenen Extremwerte ändert. Dies kann als Abweichung von ± 0,1 % vom Mittelwert bezeichnet werden, was für ein analoges Instrument eine hohe Genauigkeit bedeutet

Es ist also möglich, einen Verstärker mit wesentlich höherem Eingangswiderstand und eine Energiequelle mit wesentlich niedrigerem Widerstand zu verwenden, ohne die Unabhängigkeit von Leitfähigkeitsänderungen aufzugeben. Die mathematische Näherung ist allgemein und gilt für jeden beliebigen Satz von Werten, solange das Kriterium erfüllt ist, daß der Eingangswiderstand des Detektors MI(M¹-1) des Nennwiderstands des Mediumpfads beträgt, wobei M das Verhältnis aus dem Strombegrenzer-Serienwiderstand R₅ und dem Pfadwiderstand R₃ ist Wird im extremen Fall R, gleich R_& so muß der Detektor-Eingangswiderstand R unendlich gemacht werden, was dem Fall eines spannungsempfindlichen Verstärkers entspricht; die Unabhängigkeit von der Leitfähigkeit ist jedoch immer noch in der Nähe des Nennwertes des Pfadwiderstands R, gegeben.

Durch ein ähnliches Verfahren läßt sich zeigen, daß bei Verwendung der Schaltung nach F i g. 2, in der der Widerstand der Energiequelle kleiner ist als der Pfadwiderstand, Unabhängigkeit von Leitfähigkeitswiderständen erzielt werden kann, in dem die Beziehung

R = R₁₁

erfüllt wird, in der

N =

R.

(15)

55

und R der Eingangswiderstand des verwendeten Detektors bedeuten. Wiederum muß der Pfadwiderstand ungefähr das geometrische Mittel zwischen den Widerständen der Energiequelle und des Detektorverstärkers sein. Je größer der Wert von Moder N ist, um so breiter wird der Bereich, innerhalb dessen sich der Pfadwiderstand ändern kann, ohne die Eichung des kompletten Coulter-Zählers merklich zu beeinträchtigen.

Die obigen Erörterungen über Schaltungselemente und Impedanz-Verhältnisse beziehen sich generell auf Partikel-Analysatoren unabhängig davon, ob ein Gleichstrom- oder eine Wechselstromquelle verwendet wird; in Fig.6 und 7 sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die speziell mit Wechselstrom arbeiten. Die Frequenz dieses Wechselstroms dürfte dabei höchstwahrscheinlich in dem generell als Hochfrequenz bezeichneten Bereich liegen; die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht notwendigerweise auf Frequenzen in diesem Teil des Spektrums..

Gemäß Fig.6 wird das Tastgerät durch eine Wechselstrom-Energiequelle, etwa einen Oszillator 30 ausgesteuert, der über eine Primärwicklung 31 und eine durch die Klammer 32 angedeutete induktive Kopplung bezüglich einer Sekundärwicklung 33 mit einem Oszillatorschwingkreis 34 gekoppelt ist. Der einen Kondensator 35 umfassende Schwingkreis 34 und seine Kopplung ergeben an einem Knotenpunkt 51 die erforderliche Spannung für den Pfadstrom, wobei die gewünschte Impedanz in Richtung zurück auf die Energiequelle vorliegt

Die durch einen Widerstand 36 dargestellte Pfadimpedanz R₁, ist mit dem Energiequellen-Kreis über eine Leitung 47 und mit dem Verstärker 44 über eine Leitung 49, einen Kristall 38 und einem Oszillatorschwingkreis 40 verbunden.

Der Schwingkreis 40 bildet ebenfalls eine Impedanz-Transformationseinrichtung, so daß, von dem Knotenpunkt 51 gemäß dem Pfeil 50 nach rechts gesehen, die Impedanz den erforderlichen Wert hat. Wie oben erläutert, liegt dieser Wert bei MMder Nenn-Pfadimpedanz bzw.bei MI(M-X) wenn Mklein ist. In ähnlicher Weise sollte die Impedanz, von dem Knotenpunkt 1 gemäß dem Pfeil 48 nach links gesehen, Λί-mal größer als die Nenn-Pfadimpedanz.

Der Kristall 38 schwingt bei der Trägerfrequenz in Parallel-Resonanz mit seiner Eigenkapazität und einem Kondensator 37 und bildet in dem Strompfad zum Detektor auf der Trägerfrequenz eine sehr hohe Serienimpedanz. Der Kristall ist so ausgelegt, daß seine Serienresonanz bei einer Frequenz auftritt, die genügend nahe an seiner Gegenresonanz-Frequenz liegt, so daß dort keine Signalenergie, d.h. kein Seitenband, vorliegt In genügendem Abstand von diesen kritischen Frequenzen hat die so gebildete Sperre eine ziemlich niedrige Impedanz und läßt die Seitenbänder zum Verstärker 44 durch. In der erfindungsgemäßen Formel wird die Impedanz verwendet die von dem Knotenpunkt 51 nach rechts gesehen bei den Frequenzen der Seitenbänder auftritt

Gemäß Fig.7 wird die Schaltung mit endlichen Impedanzen unter Verwendung von Wechselstromaussteuerung angenähert Wie in F i g. 6 ist die Aussteuerung Ober einen Transformator eingekoppelt, und die Impedanz, zwischen den Punkten A und C nach links gesehen, bildet die Energiequellenimpedanz, wobei der Punkt A irgendwo auf der den Schwingkreis 34 mit der gemäß der Zeichnung linken Elektrode des Öffnungswiderstands 36 verbindenden Leitung und der Punkt C irgendwo auf einer den Schwingkreis 34 mit einem Knotenpunkt 53 verbindenden Leitung liegen; der Knotenpunkt 53 verbindet dabei die Leitungen 44 und einem Kreis 45, 46. Die Impedanz, zwischen den Punkten B und C nach rechts gesehen, ist die Detektorimpedanz, wobei der Punkt B irgendwo längs der die rechte Elektrode des Pfadwiderstands 36 mit einem Knotenpunkt 52 verbindenden Leitung liegt; der

Knotenpunkt 52 verbindet dabei die Leitungen mit dem Verstärker 44 und der Schaltung 45, 46. Wie in F i g. 2 umfaßt der Serienresonanzkreis eine Induktivität 45 und eine Kapazität 46 und dient als statische, d. h. für die Trägerfrequenz bestehende Kurzschlußeinrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie bei der Trägerfrequenz eine sehr niedrige Impedanz aufweist. Der Öffnungsstrom fließt infolge der zwischen den Punkten A und Cauftretenden Spannung. Der Punkt B liegt wegen der geringen Impedanz der Serienschaltung 45, 46 auf dem Potential des Punktes C Der Schwingkreis 34 weist zweckmäßigerweise eine durch die Sekundärwicklung 33 gegebene kleine Induktivität und einen großen Kondensator 35 auf und bildet in Verbindung mit der aus dem

Primärkreis stammenden Impedanz eine Impedanz, die innerhalb des interessierenden Frequenzbandes klein ist, d. h. innerhalb zweimal der Bandbreite der erzeugten Signale, wenn das gleiche Tastgerät mit Gleichstrom ausgesteuert wird, d. h. Trägerfrequenz plus und minus Seitenbänder.

Die Sperre 45,46 verhindert, daß die Trägerspannung den Verstärker 44 sättigt. Ihre Impedanz bei Trägerfrequenz kann der Energiequellenimpedanz zugeschlagen werden. Ihre parallel zur Eingangsimpedanz des Verstärkers 44 liegende Impedanz bei der Frequenz der Seitenbänder bildet die Größe R in der erfindungsgemäßen Gleichung, die um den Faktor Λ/oder (W-I)ZN größer gemacht werden muß als die Öffnungsimpedanz.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von in einem flüssigen oder gasförmigen Medium suspendierten Partikeln, mit einer elektrischen Energiequelle, mit einer Einrichtung, die in dem Suspensionsmedium einen begrenzten Pfad bildet, mit einer Schaltung, die bewirkt, daß aus der Energiequelle ein elektrischer Strom durch ι ο den Pfad des Mediums fließt und die diesen Pfad passierenden Partikeln den Strom modulieren und Signale erzeugen, und mit einem an die Energiequelle angeschlossenen und mit dem Pfad verbundenen Detektor, wobei die Impedanz der Energiequelle, die ι j Impedanz des Mediumpfads und die Eingangsimpedanz des Detektors in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (R₅) der elektrischen Energiequelle (E, E) und die Eingangsimpedanz (R) des elektrischen Detektors (A) derart dimensioniert sind, daß die Nennimpedanz (R₃) des Mediumpfads etwa das geometrische Mittel zwischen der Impedanz der Energiequelle und der Eingangsimpedanz des Detektors ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (R_s) der elektrischen Energiequelle (E, E') und die Eingangsimpedanz (R) des elektrischen Detektors (A) so dimensioniert sind, daß die Nennimpedanz. (R₁₁) des Mediumpfads um den Faktor (M¹- 1)/Mgrößer ist als die Eingangsimpedanz des Detektors, worin M das Verhältnis (RJRa) der Impedanz der Energiequelle zu der Nennimpedanz des Mediumpfads ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle eine Gleichstromquelle (E) ist und der elektrische Detektor (A) eine verhältnismäßig niedrige Eingangsimpedanz (R) bei den die Ausgangssignale enthaltenden Frequenzen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle eine Wechseistromquelle (E') mit bestimmter Trägerfrequenz ist und der elektrische Detektor (A) eine verhältnismäßig niedrige Eingangsimpedanz (R) bei den Frequenzen aufweist, die die Seitenbänder der Trägerfrequenz, die die Ausgangssignale bilden, enthalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (R₅) der elektrischen Energiequelle und die Eingangsimpedanz (R) des elektrischen Detektors ^derart dimensioniert sind, daß die Nennimpedanz (R₁₁) des Medium-Pfads um den Faktor MfA/²- 1) kleiner ist als die Eingangsimpedanz des Detektors, worin N das Verhältnis (RJR_s) der Nennimpedanz des Mediumpfads zu der Impedanz der Energiequelle ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle eine Gleichstromquelle (E) ist und der elektrische fto Detektor (A) eine relativ hohe Eingangsimpedanz bei den die Ausgangssignale enthaltenden Frequenzen hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle hs eine Wechselstromquelle (E') mit einer bestimmten Trägerfrequenz ist und der elektrische Detektor (A) eine relativ hohe Eingangsimpedanz bei denjenigen Frequenzen hat, die die Seitenbänder der Trägerfrequenz, die die Ausgangssignale bilden, enthalten.