DE2421265A1

DE2421265A1 - Verfahren und vorrichtung zur amplitudenmodifikation bei der teilchenmessung

Info

Publication number: DE2421265A1
Application number: DE2421265A
Authority: DE
Inventors: Wallace Henry Coulter; Edward Neal Doty
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1973-05-07
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1974-11-28
Also published as: CA999050A; GB1442901A; JPS5016583A; BR7403572D0; IT1011341B; AU6869674A; IL44750A0; FR2229058A1; SE398556B; NL7405876A; US3863159A; FR2229058B1; IL44750A; CH585902A5

Description

Patentanwälte DIpI.-ing. E. Eder Dlpl.-Ing. K, Schieschke München 13, ElieabetnstraBe34 ^ / O 1 O C F

LkLXlDO

Coulter Electronics Limited Harpenden Herts./ England

Verfahren und Vorrichtung zur Amplitudenmodifikation bei der Teilchenmessung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von mikroskopisch kleinen Teilchen oder Partikeln und verbessert die Auflösung bei der elektronischen Teilchenanalyse nach dem Coulter-Prinzip. Dieses Coulter-Prinzip ist Gegenstand der US-Patentschrift 2 656 508 und wurde in den letzten Jahren ständig weiterentwickelt. Der kommerzialisierte "Coulter-Zähler", Modell B, ist in der US-Patentschrift 3 259 842 beschrieben.

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Gemäß dem Coulter-Prinzip wird die elektrische Impedanz eines Elektrolyten in der Umgebung eines Feldes mit kleinen Dirnen-, sionen momentan geändert, wenn ein im Elektrolyten suspendiertes Teilchen durch die Umgebung dieses kleinen Feldes geht, dessen Abmessungen denen des Teilchens angenähert sind. Diese Impedanzänderung leitet einen Teil der Erregungsenergie in die zugehörige Schaltung und führt so zu einem elektrischen Signal. Die relative Amplitude dieses Signales kann für die meisten Anwendungsfälle in Biologie und Gewerbe als ausreichend genaues Maß der Teilchengröße akzeptiert werden. Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die erzielbaren Volumendaten der Teilchen erheblich verbessert.

Wie im folgenden noch ausführlicher erläutert wird* werden Form und Amplitude jedes von den Teilchen erzeugten Impulses von elektrischen, mechanischen und Fließfähigkeits-Faktoren beeinflußt. Unter idealen Bedingungen wird das Volumen eines Teilchens durch die Amplitude in der Nähe der Impulsmitte genau wiedergegeben. Da diese idealen Bedingungen im allgemeinen aber nicht vorliegen, ebensowenig wie konstante Bedingungen bei der Impulsformung, erreicht man mindestens bei bestimmten Analyseverfahren nicht das erforderliche, genaue Verhältnis von Volumen und Amplitude.

Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung werden alle Teilchenimpulse mit einem Amplitudenmodifikationsfaktor beaufschlagt, so daß man die gleiche Mittenamplitude erhält, als ob sämtliche Teilchen die Meßöffnung auf der gleichen Bahn passieren wurden. Die so modifizierte Mittenamplitude wird zeitlich in der Impulsmitte abgetastet. Die Giöße der Modifikation, mit der die Impulsamplitude beaufschlagt wird, leitet man aus dem Unterschied zwischen der Mittenamplitude und der Impulsamplitude an den beiden Eckoder Schulterpunkten vor und nach der Amplitudenmitte ab.

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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur proportionalen Amplitudenmodifikation von Teilchenimpulsen, die eine Meßöffnung für die Teilchen liefert, derart, daß die modifizierte Amplitude von Teilchen mit gleichem Volumen unabhängig von ihrer unterschiedlichen Bewegungsbahn durch die Meßöffnung ebenfalls gleich ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude eines Teilchenimpulses in seiner Mitte und an zwei Schulter- oder Eckpunkten vor und nach der Mitte des Impulses gemessen wird und daß aus der relativen Größe dieser drei Amplituden ein Amplitudenfehlerinkrement abgeleitet und zur Erzielung der gewünschten Amplitudenmodifikation zur Mittenamplitude hinzugefiigt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens zeichnet sich durch eine Amplitudenmeßeinrichtung zur Erfassung der Amplitude eines Teilchenimpulses in der Mitte und an je einem Punkt vor und nach der Impulsmitte aus, durch Mittel zum Ableiten eines Amplitudenfehlerinkrementes aus der relativen Größe der drei Amplituden und durch Mittel, die zur Erzielung der gewünschten Amplitudenmodifikation dieses Amplitudenfehlerinkrement der Mittenamplitude hinzufügen.

Die ausführlichere Erläuterung der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßöffnung und ihres Erfassungsfeldes, das drei Teilchen passieren, in einem stark vergrößerten Längsschnitt,

Fig. 2 ein Diagramm der von den Teilchen in Fig. 1 herrührenden Teilchenimpulse,

Fig. 3 den Kurvenverlauf zur Erläuterung bei der Amplitudenmodifikation gemäß der Erfindung,

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Fig. 4 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Impulsamplitudenmodifikation und

Fig. 5 den Kurvenverlauf mehrerer Teilchenimpulse im Zusammenhang mit der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein typisches Blättchen bzw. eine Membran 10 mit einer Meßöffnung 12 einer Meß<- und Erfassungseinrichtung eines "Coulter-Zählers" im Schnitt dargestellt. Es handelt sich um eine idealisierte Darstellung, d.h. die Bohrung ist vollkommen zylindrisch und besitzt scharfe Kanten 14 und 16. Beim Einschalten des Stromes fließt dieser beispielsweise von links nach rechts durch die Meßöffnung. Der Elektrolyt bzw. das Testfluid, das das gesamte Volumen ausfüllt, ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Stromdichte weicht von derjenigen an anderen Stellen im Elektrolyten ab. Auch innerhalb der Meßöffnung schwankt die Stromdichte von einem Punkt zum anderen. Vor allem an den Ecken oder Kanten 14 und ist die Stromdichte erheblich größer als an anderen Stellen.

Um dies darzustellen, sind in Fig. 1 sogenannte Isopotentiallinien eingetragen. Diese Linien stehen in jedem Berührungspunkt senkrecht auf der Oberfläche der Membran 10, verlaufen bei 18 quer zur Bohrung 12, sind an den Enden 20 etwas ausgebaucht und sind in der Ausbauchung 22 stark gewölbt. Die Stromdichte an jeder Stelle ist der Anzahl der Äquipotentialflächen in einem bestimmten Volumen an dieser Stelle proportional. Innerhalb der Meßöffnung 12 ist die Stromdichte im allgemeinen größer als außerhalb. Ihren größten Wert erreicht die Stromdichte an den Ecken 14 und 16, an denen sich der elektrische Strom zum Eintritt in die Meßöffnung 12 sozusagen um diese Ecken "windet". Die Stromdichte an diesen Ecken der Meßöffnung ist größer als in der Mitte.

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Gemäß Fig. 1 passieren drei Teilchen A, B und C die Meßöffnung auf den gestrichelten Bahnen A, B und C von links nach rechts. Das erste Teilchen A bewegt sich annähernd auf der Achse der Meßöffnung mit der Flüssigkeitsströmung, so daß bei seiner Bewegung von links nach rechts unter dem Einfluß der zunehmenden Stromdichte seine maximale Wirkung auf den Widerstand im Bereich der Meßöffnung in der Nähe ihrer Mitte liegt, wo die Isopotentiallinien 18 parallel und am dichtesten verlaufen. Der Verlauf des elektrischen Impulses A gemäß Fig. 2, der durch eine geeignete Erfassungsvorrichtung aufgenommen wurde, besitzt eine maximale Amplitude A und ist proportional dem Volumen des Teilchens A. Die Dauer des Impulses stimmt überein mit der Zeit, während der sich das Teilchen im Bereich der Meßöffnung befindet, d.h. unter ihrem elektrischen Einfluß. Dieser Bereich ist beträchtlich größer als die Länge L der Meßöffnung 12, da, wie bereits erwähnt, die relativ große Stromdichte (durch die Isopotentiallinien 20 und 22 dargestellt) sich über die geometrischen Abmessungen der Meßöffnung hinauswölbt. Trotzdem ist die über einer Mindestschwelle liegende Impulsdauer erheblich kleire? als diejenige der Impulse B und C, da in der Mitte der Meßöffnung die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als an den Wänden der Meßöffnung.

Wenn sämtliche Teilchen auf der Bahn A oder ganz nah in der Mitte der Meßöffnung 12 strömen wurden, so würden die von ihnen erzeugten Impulse das Bild des Impulses A haben und sich lediglich in der Amplitude proportional der Teilchengröße unterscheiden. Für die Diskussion der Kurvendarstellungen wird angenommen, daß die sich auf den Bahnen B und C bewegenden Teilchen das gleiche Volumen besitzen, wie das Teilchen auf der Bahn A.

Wenn das Teilchen B in den Bereich der Meßöffnung 12 gelangt, so erzeugt es einen Impuls mit einer anderen Vorder- oder

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Anstiegsflanke als der Impuls A, da mit der Annäherung an die Kante 14» wo die Stromdichte ein Maximum erreicht, die Wirkung so ist, als ob der spezifische Widerstand der Meßöffnung 12 an diesem Punkt beträchtlich erhöht würde. Man erhält somit eine kürzere Anstiegszeit und einen Scheitel 24, der Amplitude B am Anfang des Impulses. Beim Eintritt des Teilchens in die Meßöffnung 12 bewegt es sich in den Einfluß der Strombereiche, in'denen die Stromdichte gleichmäßig ist, quer zur Achse der Meßöffnung, aber weniger als an der Kante 14. Die Amplitude fällt deshalb deutlich ab. Die Isopotentiallinien 18 sind hier parallel. Da es sich um eine geschnittene Darstellung handelt, gehören die Isopotentiallinien zu Isopotentialebenen. Die an Schnittbildern ausgeführten Untersuchungen-gelten auch für dreidimensionale Gebilde.

Wenn das Teilchen auf der Bahn B die Meßöffnung 12 verläßt geht es nahe an der Kante 16 durch eine Region mit großer Stromdichte, so daß ein weiterer Scheitelwert 26 auftritt, der nicht so groß sein muß wie der Scheitelwert 24, aber größer als die Impulsmitte 28. Bei Annäherung des Teilchens an die Strömungsachse würde die Rückflanke des Impulses ähnlich der Rückflanke des bei A erzeugten Impulses, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt, da die Länge des Impulses B von der Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt wird.

Zur deutlicheren Herausstellung der Wirksamkeit der Erfindung ist der Impuls bei B übertrieben dargestellt. Die Amplitude in der Impulsmitte 28 ist viel größer als die Amplitude A, obgleich das Teilchen diesen Signalteil in der Region 18 erzeugt. Daß die Amplitude des Impulses B bei 28 beträchtlich größer ist als die Amplitude A, obgleich die beiden Teilchen A und B das gleiche Volumen besitzen, ist ein Beweis für die Tatsache, daß die Messung der Mittenamplitude allein das Problem nicht vollständig löst, sondern den Meßfehler lediglich

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verringert, da nicht der Scheitelwert des Impulses, sondern nur · der Amplitudenwert in der Mitte erfaßt wird. Die Größe der Mittenamplitude 28 ist mindestens aus zwei Gründen zu hoch: . 1. Die Zeit zwischen den Scheitelwerten 24 und 26 der Amplitude 28 reichte nicht aus zum Abfall auf einen stetigen, der Amplitude A angenäherten Zustand.

2. Qb Isopotentialfeld in der Nähe der Wände der Meßöffnung besitzt eine höhere Stromdichte als entlang der Achse der Meßöffnung (vgl. Fig. 1).

Daher kann auch bei größerer Länge der Meßöffnung und auch ohne Einfluß der Kante 16 die Amplitude des Impulses B nicht diejenige der Amplitude A erreichen, sondern muß größer sein. Die Verwendung einer längeren Meßöffnung würde zwar den oben herausgestellten Fehler verringern, jedoch zu anderen Meß- und Ersieh fassungsfehlern führen, die noch unerwünschter sind und noch schwieriger kompensieren lassön.

Das Teilchen C folgt derBahn C und erzeugt den Impuls C, dessen vorderer Scheitelwert 30 darauf hinweist, daß das Teilchen in der Nähe der Kante 14 zur Meßöffnung 12 kam. Dieser Impuls besitzt einen relativ flachen Gipfel mit einer Mitte 32 und einem hinteren Scheitelwert 34, da seine gekrümmte Bahn die Isopotentiallinien 18 an einer Stelle kreuzte, an der die Stromdichte derjenigen am Eintritts- und Austrittsende 20 der Bahn C ganz ähnlich war. Die Amplitude C des Impulses C ist größer als diejenige des Impulses A,aber kleiner als die Amplitude B und auch geringer als die Mittenamplitude 28 des Teilchenimpulses B, da das Teilchen B in jedem Zeitpunkt näher an den Kanten und Wänden der Meßöffnung war, als das Teilchen C. Ebenso weicht die Mittenamplitude 32 von der Amplitude A ab.

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Entsprechend der obigen Diskussion hängt die Form des Impulses, die ein durch eine bestimmte Meßöffnung gehendes Teilchen erzeugt, in erster Linie vom Volumen des Teilchens ab, aber in zweiter Linie von dem Teil des Meßöffnungsbereiches, durch den das Teilchen geht. Wenn sämtliche Teilchen auf der Meßöffnungsachse passieren würden, so ergäben sich keine Probleme. Bin erheblicher Prozentsatz bewegt sich jedoch nicht auf dieser Achse und viele von ihnen erzeugen Scheitelwerte, die die unrichtige Klassifizierung der die Impulse erzeugenden Teilchen noch erhöhen. Auch die Impulsmitte, die von Teilchen mit gleichem Volumen herrührt, ist nicht annähernd von der gleichen Amplitude.

Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung wird auf Fig. verwiesen. Diese zeigt den Kurvenverlauf A und B stark vergrößert, während der Kurvenverlauf C zur übersichtlicheren Darstellung weggelassen wurde. Da die Scheitelwerte 24 und 26 zu der fehlerhaft großen Mittenamplitude 28 beitragen werden sie gemäß der Erfindung zur proportionalen Modifizierung der Amplitude 28 verwendet. Die Scheitelwerte 24 und 26 bilden die bereits erwähnten ^MSchulteramplituden¹¹. Ihre Amplitude wird erfaßt und aus ihrem Mittelwert ein erstes Fehlermodifikationsinkrement gebildet. Das resultierende Signal besitzt die Amplitude 36, die mit der Amplitude 28 zur Bildung eines zweiten Fehlermodifikationsinkrementes verglichen wird, das man von der Amplitude 28 abzieht, so daß man die modifizierte Amplitude 38 erhält. Als Gleichung ausgedrückt:

MA = C+(C-SH),

wobei:

MA die modifizierte Amplitude 38, C die Mittenamplitude 28 und SH die mittlere Schulteramplitude 36 ist.

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Die obige Theorie berücksichtigt jedoch nicht gewisse elektrische und geometrische Parameter einer Coulter-Meßöffnung, wie auch der Einfluß unberücksichtigt bleibt, den die Meßöffnungsgröße auf den durchtretenden Teilchenfluß hat. Zur Erhöhung der Genauigkeit der theoretischen Herleitung benötigt man zwei konstante Paktoren k1 und k2. Man erhält so folgende Gleichung:

MA =
oder:

MA = C-k₂Ck₁SH-C).

Die Konstante k.. dient zur Bildung eines Betrages der Amplitudenmodifikation, der der Abweichung der Form des Teilchenimpulses von der idealen Form des Impulses A proportional ist.

Da der Amplitudenfehler eines Impulses lediglich in positiver Richtung die Amplitude A übersteigt, gibt die Konstante k. eine zunehmend größere Korrektur für Impulse mit größerem Fehler Das heißt mit anderen Worten, daß bei irgendeinem Teilchen, abhängig von seiner Bahn durch die Meßöffnung 12, seine mittlere Schulteramplxtude SH zunehmend größer wird, je fehlerhafter die Form seines Teilchenimpulses ist. Man muß deshalb eine zweite Amplitudenmodxfikation vorsehen, was durch k.. erreicht wird.

Man erkennt aus Fig. 3, daß die modifizierte Amplitude 38 des Impulses B um einen meßbaren Betrag über der Amplitude A liegt. Um gemäß der Erfindung diese Diskrepanz zwischen dem idealen Impuls A mit der Mittenamplitude A und der modifizierten Amplitude 38 zu beseitigen, muß gemäß der Erfindung die Amplitude des Impulses A über das Niveau 38 hinausgehen.

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Das Produkt 3c. SH ist beim Niveau 38 gleich dem Wert C, so daß die Amplitude A auf das Niveau 38 gelangt, auch wenn dadurch eine über dem wahren Wert liegende Teilchenvolumenmessung erzielt wird· Daß gemäß der Erfindung sämtliche Teilchen mit dem gleichen Volumen die gleiche wirksame Amplitude 38 hervorrufen, ist statistisch wertvoller, als der Fehler, der durch diese idealen Teilchenimpulse A entsteht.

Der zweite konstante Faktor k~ bewirkt die gleiche Modifikation für sämtliche Impulsamplituden. Er ist kteiner als 1, da der gesamte Betrag der Amplitudenmodxfikation kleiner ist als der absolute Unterschied zwischen der Mittenamplitude und dem Mittelwert der Schultern (nachdem dieser mit Ic₁ multipliziert wurde). Im-anderen Fall wäre die Amplitudenkorrektur zu groß.

Wie bereits erwähnt, hängen die Werte von k₁ und k„ von der Größe der Meßöffnung 12 ab. Bei einem Meßöffnungsdurchmesser von 0,01 Mikron genügen Werte von k^ =1,15 und k„ = 0,43. Diese Werte können als Anhalt zur empirischen Ermittlung von k. und k₂ bei anderen Meßöffnungsgrößen dienen.

Das Blockschaltbild nach Fig. 4 zeigt die Anordnung der elektrischen Bauelemente zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Eingangsimpulse A, B und C gemäß Fig. 2 gehen über eine Eingangsleitung 40 direkt auf einen Eingang 42 einer Summierschaltung 44. Die Eingangsimpulse gelangen außerdem zu einem ersten Verζögerungselement 46. Die Größe der Verzögerung durch dieses Element wird abhängig von der Meßöffnungsgröße, der Strömungsgeschwindigkeit und anderen

empirisch
feststellbaren Parametern ermittelt. Bei typischen Strömungen und einem Meßöffnungsdurchmesser von 100 Mikron genügt eine Verzögerung von'5 Mikrosekunden, wie noch erläutert wird.

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Der. Ausgang des ersten Verzögerungselementes 46 geht auf ein zweites Verzögerungselement 48, dessen Ausgang dem anderen Eingang 50 der Summier schaltung 44 zugeführt wird. Die Verzögerung durch das zweite Verzögerungselement 48 kann gleich derjenigen durch das erste Va?iögerungselement 46 sein.

In Fig. 5 erkennt man die zweifache Verzögerung eines Eingangsimpulses B»Der Impuls B¹ ist durch das Verzögerungselement 46 um die Zeitdauer D₁ verzögert. Der Impuls B^lf ist durch das Verzögerungselement 48 gegenüber dem Impuls B¹ um D„ verzögert. Infolge der Verzögerung D₁ des Impulses B¹ fällt seine Mittenamplitude 28' mit der Rückflankenschulter 26 des Impulses B zusammen. Die Verzögerung D_ des Impulses B^lf läßt seine Mitten— amplitude 28" mit der Schulter 26* des Impulses B' zusammen-Jallen. Da der Impuls B·¹ um die Summe von D₁ und D verzögert ist, fällt seine Anstiegs- oder Vorderflankenschulter 24*· zeitlich mit der Rückflankenschulter 26 des Impulses B zusammen. Dadurch erhalten die Eingänge 42 und 50 der Summierschaltung 44 gleichzeitig die Schulteramplituden, wenn die Mitte 28* des einmal verzögerten Impulses B¹ als Trigger-,oder Markiersignal verfü-gbar ist.

Eine über eine Leitung 54 an den Ausgang des ersten Verzögerungselementes 46 angeschlossene Mittensuchschaltung 52 erhält den verzögerten Impuls B¹. Die Mittensuchschaltung 52 dient zur Festlegung der Amlitudenmitte 28', unabhängig vom Vorhandensein von Vorder- oder Rückflanken-Scheitelwert. Die Funktion der Suchschaltung 52 kann von einer Schaltung gemäß • der US-Patentschrift 3 668 531 übernommen werden. Bekannt ist, daß ein Teilchen, das eine Coulter-Meßöffnung und dessen Erfassungsfeld passiert, sich mit wechselnder Strömungsgeschwindigkeit bewegt, so daß die vordere "Hälfte¹¹ eines idealen Impulses A größer ist als die Länge der hinteren "Hälfte¹¹. Allgemein kann man sagen, daß 60 % des Impulses A

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vor seinem Scheitelwert liegen. Zur Kompensation der Restenabschrägung des Impulses A kann die Mittensuchschaltung 52 so ausgelegt und eingestellt werden, daß die "Mittenamplitude" bei 60 % der Länge liegt. Eine solche Schaltung liegt in der Identifizierung der Mittensuchschaltung 52 und in der Verwendung des Ausdrucks "Mittenamplitude¹¹.

Der Ausgang der Mittensuchschaltung 52 liegt am Steuereingang 55 eines Schalters 56. Der Schalter 56 besitzt einen Signaleingang 58 und einen Ausgang 60 und läßt bei Auslösung der Mittensuchschaltung 52 jedes Signal vom Eingang 58 zum Ausgang 60.. Der Schalter 56 ist somit ein analoges Gatter.

Wie bereits erwähnt, müssen die Schultern eines Impulses nicht an bestimmten Punkten des Kurvenverlaufes liegen. Tatsächlich kann man nicht erwarten, daß infolge der zufälligen Form und Länge der Teilchenimpulse die Lage der Schultern präzise zusammenfällt, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt. Es wird angenommen, daß die Größe der Verzögerungen D. und D₂ und die Lage der Mittenamplitude 28' die Lage der Schulteramplituden festlegen. Der Abstand zwischen den Schulteramplituden ist durch D.+D_ festgelegt (Fig. 3), durch den Unterschied der Zeitpunkte t. und t„ getrennt. Da die Impulse A die kürzeste Länge aufweisen, muß die Verzögerung D*+D„ ausreichend kurz sein, damit die Schulter zeiten t.. und t„ innerhalb des Kurvenverlaufes A und auf einer Amplitude liegen, die ausreichend über dem Rauschen und Unregelmäßigkeiten von vorderer und hinterer Impulsflanke liegen. Dennoch müssen t^ und t„ ausreichend weit auseinanderliegen, damit man deutlich verschiedene Schulteramplituden erhält, wenn sie für einen bestimmten Kurvenverlauf vorhanden sind. Es wurde festgestellt, daß bei Festlegung der Schulteramplituden 62 und 64 in Fig. bei einem Impuls A auf ca. die halbe Amplitude sämtliche Schulteramplituden bei Amplitudenwerten liegen, die statistisch gültige Daten liefern.

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Die Summierschaltung 44 kann unter Verwendung eines Operationsverstärkers aufgebaut werden, der an einem Eingang einen Summiertibergang besitzt, der die Eingänge 42 und 50 erhält. Der Operationsverstärker besitzt außerdem zur Verstärkungsregelung eine Widerstandsrückkopplung. Die Verstärkungsregelung ist durch den Block 66 am Ausgang der Summierschaltung 44 mit der Bezeichnung "Verstärkung k " ("GAIN k ") bezeichnet. Die Verstärkungsregelung 66 gibt zur Erzeugung eines Signalwertes k^Sli den Faktor k.. zum Schultermittelwert lSH. Da die Schaltung 44 eine Summierschaltung ist, und keine Mittelwertschaltung, verwendet die Verstärkungsregelung 66 den Faktor k.,/2 zur Erreichung beider SH aus der Schulteramplitudensumme und zur Faktorbildung von k^. Der so gebildete Wert ist negativ, d.h. -k.SH, da der Operationsverstärker normalerweise ein umgekehrtes Ausgangssignal erzeugt.

Der verzögerte Impuls B¹ des ersten Verzögerungselementes 46 geht außerdem über eine Leitung 68 zu einer Signaldifferenz-Meß- oder Subtrahierschaltung 70. Aus Fig. 5 erkennt man, daß das Summieren der Schulteramplituden 26 und 24'' zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Mittenamplitude 28' auf die Subtrahierschaltung gegeben wird. Die Subtrahierschaltung erhält somit (-k..SH+C). Die Subtrahier schaltung 70 kann genauso wie die Summierschaltung 44 aufgebaut sein und erhält am Eingang 72 das Signal (-k.-'SH) und am Eingang 74 das Signal C von der Leitung 68. Die Eingänge 72 und 74 vereinigen sich zum Summierübergang an einem Eingang eines Operationsverstärkers. Eine Widerstandsrückkojplung des Operationsverstärkers definiert den Modifikationsfaktor k„, durch den Logikblock 76 mit der Bezeichnung "Verstärkung k„" ("GAIN k ") dargestellt ist. Der resultierende Ausgang der Subtrahierschaltung 70 besitzt nach Multiplikation mit der Konstanten k₂ denSignalwert: -k₂(C-k..SH) und geht auf einen Eingang 78 eines Differenzverstärkers 80.

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Die Konstante k führt das Minuszeichen, da der. Ausgang des Operationsverstärkers (die Logikblöcke 70 und 76) normalerweise umgekehrt oder invertiert ist.

Der Differenzverstärker 80 erhält mit seinem zweiten Eingang an der Leitung 68 den einmal verzögerten Impuls B¹. Der Ausgang des Verstärkers 80 auf der Leitung 84 ist die modifizierte Amplitude: Ok₂Ck₁ SH-C), wenn er im Zeitpunkt t₅ (Fig. 5) getriggert, markiert oder getastet wird, indem die Mittenamplitude 28' des Impulses B¹ vorhanden ist. Wie bereits erwähnt, ist die Lage der Mittenamplitude 28' eine Funktion der Mittensuchschal tung 52. Zwischen der Ausgangsleitung 84 des Differenzverstärkers 80 und der Eingangsleitung 58 des Schalters 56 liegt ein drittes Verzögerungselement 86. Die Verzögerung dieses Elementes 86 kompensiert sämtliche Schaltungsverzögerungen, insbesondere der Mittensuchschaltung 52, so daß der Schalter genau zu dem Zeitpunkt betätigt wird, in dem die Mittenamplitude 28· auf den Leitungen 68, 74 und 82 ist, so daß sich genau das gewünschte Resultat ergibt: MA=C-k₂(k.. SH-C).

Da|von Zeit zu Zeit unterschiedliche Meßöffnungsgrößen verwendet werden, können die Verstärkungsfaktorelemente 66 und 76 so ausgelegt werden, daß sie ihre Konstanten k. und k„ abhängig von der Meßöffnungsgröße schalten. Eine Möglichkeit zur Realisierung des Schaltvorganges besteht darin, zwei Gruppen parallelgeschalteter Operationsverstärker in der Vorrichtung anzuordnen. Eine Gruppe definiert dann das Summieren und die k,. -Verstärkungselemente 44 und 66 für jede der verschiedenen Meßöffnungsgrößen. Die andere Gruppe definiert das Subtrahieren und die k₂-Verstärkungselemente 70 und 76 und kann paarweise durch "1" aus jeder Gruppe für die entsprechende Meßöffnungsgröße adressiert werden. Es kann außerdem eine Änderung der Werte der Verzögerungselemente 46 und 48 erforderlich sein, abhängig von der Größe der gewählten Meßöffnung. Trotz dieser Variablen gestattet ein relativ einfacher, empirischer Versuch die Ermittlung der optimalen Parameter für die Vorrichtung, sobald die Meßöffnung gewählt und die Strömungsgeschwindigkeit der Teilchensuspension festgelegt ist.

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Claims

Patentanwalt·

Dipl.-ing. E. Eder

DIpI.-Ing. K. Schieschke

8München13,EllsabethstraBe34

Patentansprüche

M ·) Verfahren zur proportionalen Amplitudenmodifikation von Teilchenimpulsen, die eine Meßöffnung für die Teilchen liefert, derart, daß die modifizierte Amplitude von Teilchen mit gleichem Volumen unabhängig von ihrer unterschiedlichen Bewegungsbahn durch die Meßöffnung ebenfalls gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude eines Teilchenimpulses in seiner Mitte und an zwei Schulter- oder Eckpunkten vor und nach der Mitte gemessen wird und daß aus der relativen Größe dieser drei Amplituden ein Amplitudenfehlerinkrement abgeleitet und zur Erzielung der gewünschten Amplitudenmodifikation zur Mittenamplitude hinzugefügt wird,
2. Verfahrenmch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Amplitude der Schulteramplituden gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung die mittlere Schulteramplitude mit der Mittenamplitude verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung die Differenz zwischen der Mittenamplitude und der mittleren Schulteramplitude gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung ein erster, konstanter Faktor gebildet wird, der den Formänderungen der Teilch^nimpulse proportional ist und daß dieser konstante Faktor auf die mittlere Schulteramplitude gegeben wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung ein zweiter, konstanter Faktor definiert wird, der den gesamten Betrag der Amplitudenmodi-

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fikation proportional ist, und daß dieser Faktor auf die Differenz zwischen der Mittenamplitude und der mittleren Schulteramplitude angewandt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dort genannten Verfahrensschritte so zusammenwirken, daß die impulsmodifizierte Amplitude gemäß der Gleichung MA = C+(C-SH) entsteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrenssehritte so zusammenwirken, daß die· impulsmodifizierte Amplitude gemäß der Gleichung MA = Ok₂Ck₁SH-C) entsteht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Schulterpunktamplituden mit Impulsverzögerungen gearbeitet wird, die die Messung der beiden SchulterampIituden zum gleichen Zeitpunkt gestatten.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Mittenamplitude durch Impulsverzögerung erfolgt, die die Messung der Mittenamplitude und der beiden Schulteramplituden gleichzeitig zum Vergleich ihrer relativen Größe ermöglicht.
11. Verfahren rfch Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser gleiche Zeitpunkt der Zeitpunkt ist, an dem der verzögerte Teilchenimpuls seine Mittenamplitude erreicht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenimpuls durch getrennt definierte Verzögerungsverte zweimal verzögert wird.

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13. ,Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungswerte gleich sind, damit zur Ableitung eine mittlere Schulteramplitude zeitlich koinzident mit der Mittenamplitude auftritt.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Verzögerungswerte im wesentlichen gleich der Dauer ist, um die ein idealer Teilchenimpuls über seiner halben Amplitude liegt.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Amplitudenmeßeinrichtungen (44, 46, 48, 52) zur Messung der Amplitude eines Teilchenimpulses in seiner Mitte (28) und an zwei Schulterpunkten (24, 26) auf entgegengesetzten Seiten der Mitte, durch Fehlerableitmittel'(66, 70, 76) zur Ableitung eines Amplitudenfehlerinkrementes aus der relativen Größe der drei Amplituden und durch eine Schaltung (8o) zum Hinzufügen des Amplitudenfehlerinkrements zur Mittenamplitude derart, daß man die gewünschte, modifizierte Amplitude erhält.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenmeßeinrichtung für die Schulteramplituden Impulsverzögerungsmittel (46, 48, 50) enthält, die die gleichzeitige Messung beider Schulteramplituden gestatten.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenmeßeinrichtungen zur Messung der Mittenamplitude Impulsverzögerungsmittel (.46, 48, 50, 54) enthalten, die zum Vergleich der relativen Größe die gleichzeitige Messung der Mittenamplitude und der beiden Schulteramplituden gestatten.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenmeßeinrichtung eine Impulsmittensuchschaltung (52) zur Aufnahme eines Ausganges (54) von der Verzögerungsschaltung (46) und zur Begrenzung durch ein Triggersignal (55) enthält, zu dem Zeitpunkt (t,-) an dem ein verzögerter Teilchenimpuls (B¹) seine Mittenamplitude erreicht.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverzögerungsschaltung eine Impulsverzögerung (46, 48) zur doppelten Verzögerung des Teilchenimpulses um separate und definierte Verzögerungswerte (D., D„) enthält.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fehlerableitung Mittelwerteinrichtungen (44) zur Erzielung der mittleren Amplitude der Schulteramplituden enthalten.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerableitmittel eine Vergleichsschaltung (70) enthalten, zum Vergleich der mittleren Schulteramplitude mit der Mittenamplitude.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerableitschaltung eine Differenzschaltung (80) zur Messung des Unterschiedes zwischen der Mittenamplitude und der mittleren Schulteramplitude enthält.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerableitschaltung Faktorschaltungen (66, 72) zur Definition eines ersten konstanten Faktors enthalten, der den Formschwankungen der Teilchenimpulse proportional ist, und zur Anwendung dieses ersten Faktors auf die mittlere Schulteramplitude.

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24# Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis. 23, dadurch · gekennzeichnet, daß die Fehlerableitschaltung eine Faktorschaltung (76) zur Definition eines zweiten konstanten Faktors enthält, der dem Gesamtbetrag der Amplitudenmodifikation proportional ist, und zur Anwendung auf die Differenz zwischen der Mittenamplitude und der mittleren Schulteramplitude.
25. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenmeßschaltung Impulsverzögerungsmittel (46, 48) mit einem Eingang (40) zur Aufnahme von Teilchenimpulsen einer Meßöffnung enthält, sowie erste und zweite Ausgänge (54, 68, 74, 50) zur entsprechenden Lieferung jedes aufgenommenen Impulses, verzögert um zei verschiedene Zeitwerte, sowie Amplitudensummiermittel (44) mit Eingängen (42, 50), die entsprechend an den Verzögerungsmitteleingang (40) und an den zweiten Verzögerungsmittelausgang (50) angeschlossen sind sowie ferner eine Impulsmittensuchschaltung (52), die an den ersten Ausgang (54) des Verzögerungsmittels· angeschlossen ist, daß die Fehlerableitung eine Amplitudensubtrahierschaltung (70) mit Eingängen (74, 72) enthält, die an den ersten Ausgang des Verzögerungsmittels und an einen Ausgang' der Summierschaltung (44) angeschlossen sind, daß das Mittel zum Hinzufügen Differenziermittel (80) umfaßt, deren Eingänge (82, 78) entsprechend an den ersten Ausgang des Verzögerungsmittels und an einen Ausgang der Subtrahiermittel angeschlossen sind, und daß ferner ein Ausgang (56) mit einem Steuereingang (55) an einen Ausgang der Impulsmittensuchschaltung (52) angeschlossen ist, daß ein Signaleingang (58) bei (86) an einen Ausgang (84) der Ampli-.tudendifferenziermittel (80) und an einen Ausgang (60) angeschlossen ist, an dem zum Zeitpunkt der Mittenamplitude (t,-) eines ersten verzögerten Impulses eine Impulsamplitude abnehmbar ist, die proportional der Form des aufgenommenen Teilchenimpulses modifiziert ist.

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26. Vorrichtung nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsverzögerungsmittel (46, 48) den ersten Zeitwert auf die Hälfte des zweiten Zeitwertes festsetzt.
27» Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Verstärkungssteuerung (66)an das Amplitudensummiermittel (44) angeschlossen ist, zur Definition eines ersten, konstanten Faktors, der den Formschwankungen der Teilchenimpulse proportional ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Summiermittel (44) ein Operationsverstärker ist, der eingangsseitig an einem Summierübergang zur Aufnahme des Teilchenimpulses und seines zweiten, verzögerten Gegenstückes liegt, und daß die Verstärkungssteuerung (66) eine Widerstandsrückkopplung des Operationsverstärkers ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dab eine zweite Verstärkungsregelung (72) an den Ausgang der Subtrahiermittel (70) zur Definition eines zveiten, konstanten Faktors angeschlossen ist, der dem Gesamtbetrag der Amplitudenmodifikation proportional ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverzögerungsmittel (46, 48) und die erste (66) und die zweite (76) Verstärkungssteuerung abhängig von der Größe der Meßöffnung einstellbar sind.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, 25 oder 26, gekennzeichnet durch die derartige Anordnung der Mittel, daß die impulsmodifizierte Amplitude nach der Gleichung MA = C+(C-SH) entsteht.

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32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23, 24 oder 27 bis 30, gekennzeichnet durch die derartige Anordnung der Mittel, daß eine modifizierte Amplitude entsprechend der Gleichung MA = C-Ic₂Ck₁SH-C) entsteht.

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