DE2431107C3 - Gerät zum Ermitteln der Größe und Konzentration von suspendierten kleinen Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ermitteln der Größe und Konzentration von in einem insbesondere flüssigen Medium suspendierten kleinen Teilchen, mit einer Anordnung zur Erzeugung eines fokussierten Lichtstrahles, der durch das zu untersuchende Medium geleitet wird, mit einer Einrichtung zum Ausblenden des direkten Lichtstrahles nach dem Durchqueren des Mediums, mit einem stationären optischen System, welches Licht, das an dem vom Lichstrahl in einem zu untersuchenden Bereich des Mediums getroffenen suspendierten Teilchen in einem zum Lichtstrahl konzentrischen Kegel in Strahlrichtung gestreut wird, auf einen Detektor fokussiert und mit einer Schaltungs ansordnung zum Auswerten der elektrischen Signale.

Aus der US-PS 36 46 352 ist ein solches Gerät bekannt, das dazu dient, die Größe und die Konzentration von Teilchen festzustellen, die sich in einem Luftstrom befinden. Zu diesem Zwecke wird ein

so bestimmtes kleines Volumen des Luftstromes beobachtet, in dem der Lichtstrahl auf dieses Volumen gerichtet wird. Voraussetzung für diese Art der Messung ist, daß das Medium, in dem sich die Teilchen befinden, bewegt ist, damit der unbewegliche Lichtstrahl nicht nur ein sich gerade zufällig in seinem Bereich befindendes Teilchen trifft, sondern eine Vielzahl von Teilchen zusammen mit dem strömenden Medium nacheinander durch den Lichtstrahl bewegt werden. Außerdem wird bei dem bekannten Gerät der Luftstrom durch eine sehr enge Düse durch den Lichtstrahl hindurchgeleitet, so daß bei einer Messung das Gesamtvolumen des Luftstromes erfaßt wird.

Aus der DE-OS 20 58 124 ist ein ähnliches Gerät bekannt, bei dem ein Lichtstrahl durch ein spezielles Probengefäß geleitet wird, das parallele Wände aufweist. Dabei führt der Probenstrahl eine geradlinige Abtastbewegung senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums durch das Probengefäß aus. Hier wird die

Modulation des Lichtstrahles durch getroffene Teilchen beobachtet Voraussetzung für eine solche Messung ist, daß das Probengefäß im Abtastbereich des Lichtstrahles eine konstante lichte Weite aufweist und gleichmäßig von dem zu untersuchenden Medium durchströmt wird, s

Demgegenüber liegt der Erfindfng die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß es in kurzer Zeit eine automatische Ermittlung der Größe und Konzentration der Teilchen einer Suspension gestattet, die sich in ruhendem Zustand in einem geschlossenen, durchsichtigen Behälter befindet, der eine beliebige Gestalt haben kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Untersuchung einer ruhenden Suspension eine Ablenkeinrichtung für den Lichtstrahl is vorgesehen ist, die bewirkt, daß der Lichstrahl in einem quer zu seiner Ausbreitungsrichtung verlaufenden, vorgegebenen ebenen Bereich eine in sich geschlossene Bahn beschreibt, und daß das optische System zum Abbilden des untersuchten Bereichs auf den Detektor eine verhältnismäßig kleine Tiefenschärfe hat

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird durch Ablenkung des Lichtstrahles längs einer in sich geschlossenen Bahn ein definierter Flächenbereich in einer durch die Tiefenschärfe des optischen Systems bestimmten Tiefe abgetastet, also ein definiertes Volumen der ruhenden Suspension, so daß es möglich ist anhand der Anzahl und Intensität der bei der Abtastung dieses definierten Volumens erzeugten Lichtblitze auf die Größe und Konzentration der in diesem Volumen suspendierten kleinen Teilchen und damit auch die Größe und Konzentration der suspendierten kleinen Teilchen in der ruhenden Suspension zu schließen. Dabei ist das abgetastete Volumen der Suspension unabhängig von den Abmessungen und der Art des Gefäßes, sofern die Abmessungen des Gefäßes ausreichend groß gegenüber dem abgetasteten Bereich sind, was in der Praxis stets der Fall sein wird. Damit macht es die Erfindung erstmals möglich, die Dichte und die Größe der Teilchen einer Suspension festzustellen, die sich in einem geschlossenen Gefäß befinden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Laser dazu benutzt, einen scharf begrenzten Lichtstrahl zu erzeugen, der innerhalb des Gefäßes mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in einem Brennpunkt vereinigt wird. Diesen Lichtstrahl läßt man eine kreisförmige Bahn beschreiben, indem man ihn eine Planplatte passieren läßt, die gegenüber dem Weg des Lichtstrahles gekippt ist und um eine mit dem so Lichtstrahl zusammenfallende Achse rotiert. Hinter dem von dem Lichtstrahl abgetasteten Bereich befindet sich eine undurchsichtige Scheibe, auf die der direkte Lichtstrahl auftrifft Die undurchsichtige Scheibe befindet sich auf der optischen Achse des hinter ihr angeordneten optischen Systems. Als Detektor findet eine Fotodiode Verwendung.

Die Erfindung wird in folgendem anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematischc f>a<stellung des optischen Systems eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. IA einen Schnitt längs der Linie A-A durch das System nach Fig. 1,

Fig.2 eine andere Ausführungsform eines Sammellinsensystems für das System nach F i g. 1,

Fig.3 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung.

Fig.4 ein Diagramm von Spannungen, die an dem hochverstärkenden Komparator der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 auftreten,

Fig.5 ein Blockschaltbild des Zeitgliedes der Schaltungsanordnung nach F i g. 3,

F i g. 6 ein Diagramm von Spannungen, die an dem Zeitglied nach F i g. 5 auftreten,

F i g. 7 typische Eichkurven für das Gerät nach den F i g. 1 und 3 und

Fig.8 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Einrichtung zum seitlichen Versetzen des Lichtstrahles für das System nach F i g. 1.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, weist das optische System des Gerätes einen Laser 10 auf, der einen auf einem Weg 11 gerichteten scharf begrenzten Lichtstrahl erzeugt Ein Helium-Neon-Laser des als ML-611 bezeichneten Typs wurde als zufriedenstellend befunden und erzeugt einen Lichtstrahl mit einem Durchmesser von etwa 2 mm. Eine Sammellinse 12 ist im Weg 11 des Lichtstrahls angeordnet und verringert dessen Durchmesser bis auf 150 μΐη. Die Sammellinse 12 gibt dem Lichtstrahl eine Richtung, die parallel zur Mittellinie 13 eines Zylinders 14 verläuft an dessen äußeren Umfang ein Zahnrad IS befestigt und, wie es Fig. IA zeigt, von einem Zahnradgetriebe 16 in Umdrehung versetzt werden kann, das durch einen Synchronmotor 17 angetrieben wird. Eine Planplatte 18 ist innerhalb des Zylinders 14 unter einem Winkel von ungefähr 45° zur Mittellinie 13 angeordnet. Die Planplatte 18 kann beispielsweise aus einem Bleiglas wie Kronglas bestehen, in welchem Fall man es angenähert 3,2 mm dick machen würde. Die Planplatte 18 dient dazu, den Lichtstrahl aus der Mittellinie 13 des Zylinders 14 heraus zu versetzen. So rotiert dann, wenn der Zylinder 14 durch den Synchronmotor 17 mit einer Geschwindigkeit von etwa einer Umdrehung pro Sekunde in Umdrehungen versetzt wird, der Winkel der Versetzung mit dieser Winkelgeschwindigkeit um die Mittellinie 13, wodurch bewirkt wird, daß der Lichtstrahl einer kreisförmigen Bahn verschoben wird, der symmetrisch zur Mittellinie 13 angeordnet ist.

Die Planplatte 18 kann unter bestimmten Umständen bewirken, daß ein Anteil des Lichtstrahls eine doppelte Reflexion erfährt, was bewirken würde, daß dieser Anteil längs eines größeren konzentrischen Kreises als der Hauptteil des Lichtstrahls verschoben wird. Dieser Anteil des Lichtstrahls wird durch eine undurchsichtige Platte 20 abgefangen, die quer zur Mittellinie 13 am ausgangsseitigen Ende des Zylinders 14 angeordnet ist und eine kreisförmige Öffnung 21 hat, die konzentrisch zur Mittellinie 13 angeordnet ist und deren Durchmesser groß genug ist, um den Hauptteil des Lichtstrahles, der die Planplatte 18 ohne Reflexion durchläuft, passieren zu lassen, deren Durchmesser aber genügend klein ist, um jeden nach mehrfacher Reflexion austretenden Anteil des Lichtstrahles abzuschneiden. Der Lichtstrahl, der von der Öffnung 21 der Platte 20 ausgeht, wird mittels einer Linse 24, die der undurchsichtigen Platte 20 dicht benachbart ist, innerhalb einer durchsichtigen Flasche 23 fokussiert. Die Brennweiten der Sammellinse 12 und der Linse 24 sind eine Funktion der Strecke, die der Lichtstrahl bis zum Fokus innerhalb der Flasche 23 durchläuft. Die durchsichtige Flasche 23 enthält die zu untersuchende Flüssigkeit und wird zur Anlage an einen Anschlag 25 gebracht, so daß sie immer in der richtigen Lage ist. Eine Glasplatte 26 ist in einer senkrechten Lage auf der dem Lichteintritt abgewandten Seite der Flasche 23 aneeordnet. wie es die

Zeichnung zeigt, und trägt eine runde undurchsichtige Scheibe 27, die konzentrisch zur Mittellinie 13 des Zylinders 14 angeordnet ist und die einen genügend großen Durchmesser hat, um den sich bewegenden Lichtstrahl abzufangen.

Beim Passieren der Flüssigkeit, die sich innerhalb der Flasche 23 befindet, beleuchtet der Lichtstrahl feinverteiltes Material, das in der Flüssigkeit suspendiert und in Bewegung ist Wenn das Material so beleuchtet wird, wird Licht.von den beleuchteten kleinen Teilchen in erster Linie in einer nach vorn gerichteten Richtung, d. h. auf die undurchsichtige Scheibe 27 zu, gestreut, aber unter einem spitzen Winkel zur Strahlrichtung, wie es durch die gestrichelten Linien 30 dargestellt ist Eine Sammellinse 32, die einen geringen Tiefenschärfenbereich aufweist, der ganz innerhalb der Flasche 23 liegt, ist auf der der undurchsichtigen Scheibe 27 abgewandten Seite der Trägerplatte 26 konzentrisch zur Mittellinie 13 des Zylinders 14 angeordnet. Die Sammellinse 32 hat einen ausreichend großen Durchmesser, um von dem beleuchteten feinzerteilten Material gestreutes Licht, das an der undurchsichtigen Scheibe 27 vorbeigeht und auf die Sammellinse 32 fällt, auf eine Silizium-Photodiode 34 zu fokussieren, die beispielsweise vom Typ SGD-IOOA sein kann. Wenn eine einzelne Sammellinse 32 verwendet wird, kann es eine konvexe Linse sein, die dann auf halbem Weg zwischen der Silizium-Photodiode 34 und dem durchschnittlichen Tiefenschärfenbereich innerhalb der Flasche 23 angeordnet und deren Brennweite /1 gleich der Hälfte der Entfernung zwischen der Linse 32 und der Photodiode 34 ist Die Tiefenschärfe wird dadurch gesteuert, daß mian den vorerwähnten Abstand und damit auch /1 klein macht Schließlich kann, wenn die Intensität der vom Laser 10 gelieferten Beleuchtung verringert werden soll, um den Arbeitsbereich der elektronischen Schaltungsanordnungen zu erhöhen, ein Neutralfilter 35 in den Weg des Lichtstrahls vor seinem Eintritt in die Rasche 23 gesetzt werden. So kann das Neutralfilter 35 zwischen der Linse 24 und der Flasche 23 angeordnet werden. Das Neutralfilter 35 ist mit gestrichelten Linien dargestellt da es nur dann benutzt wird, wenn Material mit verhältnismäßig großen Teilchen angetroffen wird.

In Fig.2 ist ein anderes Sammellinsensystem 36 gezeigt das konvexe Linsen 37 und 38 mit Brennweiten fa bzw. fb und einem ausreichenden Durchmesser umfaßt um Streulicht von feinverteiltem Material, das durch den Strahl vom Laser 10 beleuchtet wird, aufzufangen. Diese Linsen sind wieder konzentrisch zur Mittellinie 13 des Zylinders 14 angeordnet Zusätzlich enthält das Linsensystem 36 kleinere Linsen 39 und 4ö mit Brennweiten fc bzw. fd, die konzentrisch zur Mittellinie 13 des. Zylinders 14 zwischen der Linse 38 und der Photodiode 34 angeordnet sind. Die Linsen 37, 38,39 und 40 sind so angeordnet, daß die Brennweite fa der Linse 37 bis zu einem Punkt längs des gewünschten Tiefenschärfenbereichs innerhalb der Flasche 23 reicht; die Summe der Brennweiten fb und fc ist gleich dem Abstand zwischen den Linsen 38 und 39; und die Brennweite fd der Linse 40 ist gleich dem Abstand zwischen der Linse 40 der Photodiode 34. Die Abstände zwischen den Linsen 37 und 38 und zwischen den Linsen 39 und 40 sind nicht kritisch und können daher geändert werden, um die oben genannten Erfordernisse zu erfüllen. Durch Verwendung der vier Linsen 37 bis 40 können schärfere Bilder auf der Photodiode 34 mit geringeren optischen Verzerrungen projiziert werden und man erhält zugleich eine bessere Kontrolle über die Tiefenschärfe dieser Bilder innerhalb der Flasche 23. Im Betrieb wirft die Linse 37 aus dem Tiefenschärfenbereich kommendes Streulicht in einem parallelen Strahl auf die Linse 38. Die Linse 38 wiederum kehrt das so empfangene Bild um und wirft es auf die kleinere Linse 39, die wiederum das Bild in einem parallelen Strahl auf die Linse 40 projiziert. Die Linse 40 fokussiert dann das von den beleuchteten Partikeln stammende Licht auf die

to Photodiode 34.

Wie das schematische Blockdiagramm der elektronischen Einrichtung zum Feststellen, Analysieren und Zählen der Lichtimpulse zeigt, ist die Silizium-Photodiode 34 mit einem Vorverstärker 42 verbunden, der wiederum über einen Kondensator 43 mit einem Bandpaßverstärker 44 gekoppelt ist Der Bandpaßverstärker 44 ist so ausgelegt, daß er ein Frequenzband von 200 bis 100 000 Hz passieren läßt. Der Ausgang des Bandpaßverstärkers 44 ist mit einem Potentiometer 45 verbunden, das mit einem Anschluß am Bezugspotential Masse angeschlossen ist und das einen einstellbaren Abgriff 46 hat, der mit einem Eingang A eines hochverstärkenden Komparators 47 verbunden ist, der unter Verwendung eines Differenz-Operationsverstär kers aufgebaut ist. Ein weiterer Eingang B des Komparators 47 ist mit dem einstellbaren Abgriff 48 eines Potentiometers 49 verbunden, das zwischen die positive Klemme einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 50 und Masse eingeschaltet ist wobei die Gleichspannungsquelle 50 ebenfalls mit dem Bezugspotential Masse verbunden ist Die Gleichspannungsquelle 50 liefert eine Spannung von beispielsweise +10 V, die der Helligkeit des vom Laser 10 erzeugten Lichtstrahls entspricht. Sollte sich die Helligkeit des vom Laser 10 erzeugten Lichtstrahls ändern, ist es wünschenswert, daß das von der Gleichspannungsquelle 50 gelieferte Potential entsprechend geändert wird. Der einstellbare Abgriff 48 des Potentiometers 49 ist so eingestellt, daß er eine Schwellenspannung liefert die die Bestimmung der Größe von Partikeln, die durch den Strahl beleuchtet werden, auf die im folgenden beschriebene Weise ermöglicht

Der hochverstärkende Komparator 47 arbeitet in der Weise, daß eine Ausgangsspannung Vo, die beispiels weise +14 V beträgt, erzeugt wird, wenn die Schwellen spannung am Eingang B positiver ist als die Spannung am Eingang A, die von dem Abgriff 46 des mit dem Ausgang des Bandpaßverstärkers 44 verbundenen Potentiometers 45 zugeführt wird. Andererseits erzeugt der Komparator 47 dann, wenn die Spannung am

Eingang A größer ist als die Schwellenspannung am Eingang B, eine Ausgangsspannung Vo, die — i4V

beträgt

Die Ausgangsspannung Vo des Komparators wird

einem Zeitglied 51 zugeführt, das lediglich Impulse von einer Dauer von weniger als beispielsweise 20 us zu seiner Ausgangsklemme durchläßt Die Funktionsweise des Zeitgliedes 51 wird mehr im einzelnen in Verbindung mit F i g. 5 erläutert

Das Ausgangssignal des Zeitgliedes 51 wird über ein normalerweise gesperrtes Tor 52 zum Eingang eines eine Division durch 10 ausführenden Zählers 54 geleitet Der Signalfluß durch das normalerweise geschlossene Tor 52 wird durch das Ausgangssignal einer monostabi len Kippschaltung oder eines Monoflop 55 mit einer Kippzeit von 15 s gesteuert, dessen Setzeingang 56 durch Zuführung einer Spannung von einer Batterie 57 mittels eines handbetätigten Schalters 58 angesteuert

Der Zähler 54 umfaßt einen Vier-Stufen-Zähler 60 mit einem Setzeingang 61 und einem Rücksetzeingang 62 und einer Ausgangsleitung 63 für ein Zählergebnis von 10. Der Ausgang des normalerweise gesperrten Tores 52 ist mit dem Setzeingang 61 des Vier-Stufen-Zählers 60 und parallel dazu mit einem Eingang eines UND-Gliedes 64 mit zwei Eingängen verbunden. Die Ausgangsleitung 63 für ein Zählergebnis 10 des Vier-Stufen-Zählers 60 ist mit dem anderen Eingang des UND-Gliedes 64 verbunden. Ein UND-Glied wird definiert als eine Verknüpfungsschaltung, die ein Ausgangssignal mit dem Pegel »Information« liefert, wenn an beiden Eingangssignalen der Pegel »Information« liegt. Wenn an irgend einem der Eingänge der Pegel »Null« liegt, gibt das UND-Glied kein Ausgangssignal ab. Der Ausgang des UND-Gliedes 64 ist mit dem Setzeingang eines Zählers 70 und außerdem nach rückwärts mit dem Rücksetzeingang 62 des Vier-Stufen-Zählers 60 verbunden. Der Vier-Stufen-Zähler 60 erzeugt einen Ausgangsimpuls, nachdem er zehn seinem Setzeingang 61 zugeführte Impulse empfangen hat. Dieser Ausgangsimpuls wird zusammen mit dem zehnten Impuls, der dem Setzeingang 61 zugeführt wird, den Eingängen des UND-Gliedes 64 zugeführt, um an dessen Ausgang einen Impuls zu erzeugen. Dieser Ausgangsimpuls wird zum Rücksetzeingang 62 des Vier-Stufen-Zählers 60 geführt, um zu veranlassen, daß dieser wieder von Null an zu zählen beginnt. Auf diese Weise wird die Anzahl der dem Setzeingang 61 zugeführten Impulse durch Zehn dividiert. Die Ausgangsimpulse des die Division durch 10 ausführenden Zählers 54 werden wiederum von dem Zähler 70 gezählt Ein Rücksetzeingang des Zählers 70 ist über eine Leitung 71 mit dem Setzeingang 56 des Monoflop 55 mit einer Kippzeit von 15 s verbunden. Auf diese Weise wird, wenn das Monoflop 55 aktiviert wird, welches das normalerweise gesperrte Tor 52 für 15 s offen hält, der Zähler 70 auf Null zurückgesetzt, damit eine neue Zählung stattfinden kann. Der Ausgang des Zählers 70 ist mit einem Anzeigegerät 72 verbunden, um die Information im Zähler 70 verfügbar zu machen. Die Kippzeit des Monoflop 55 von 15 s ist auf der Basis der Zeit ausgewählt, die erforderlich ist, um mit dem Strahl das zu analysierende Probevolumen abzutasten.

F i g. 4 veranschaulicht die Arbeitsweise des hochverstärkenden Komparators 47. Eine Kurve 80 stellt eine mögliche Form des Verlaufs der Spannung dar, die an dem einstellbaren Abgriff 46 des Potentiometers 45 erscheint, das am Ausgang des Bandpaßverstärkers 44 so angeschlossen ist Die Kurve 80 umfaßt einen Impuls 81 mit einer Amplitude, die geringer ist als die Schwelienspannung am Eingang B des Komparators 47, einen Impuls 82 mit einer Amplitude, die größer ist als die Schwellenspannung am Eingang B, und einen Impuls 83, ss dessen Amplitude größer ist als die Schwellenspannung und dessen Breite außerdem größer ist als 20 u& Eine Kurve 85 stellt die Ausgangsspannung Vo dar, die von dem Komparator 47 als Antwort auf die Eingangsimpulse 81, 82 und 83 der Kurve 80 erzeugt wird. Da der Impuls 81 die am Eingang B des Komparators 47 anliegende Schwellenspannung nicht überschreitet, tritt in der Ausgangsspannung keine Änderung ein, weshalb eine konstante Spannung von +14 V weiterhin erzeugt wird. Beim Auftreten des Impulses 82 wird die Schwellenspannung am Eingang B überschritten, wodurch bewirkt wird, daß die Ausgangsspannung Vo für die Dauer des Impulses 82 auf —14 V wechselt Am Ende des Impulses 82 wechselt die Ausgangsspannung Vo zurück auf +14 V und bleibt auf diesem Wert bis zum Auftreten des Impulses 83. Die Schwellenspannung am Eingang B wird wieder überschritten, wodurch bewirkt wird, daß die Ausgangsspannung Vo wiederum auf —14 V wechselt und auf diesem Wert für die Dauer des Impulses 83 bleibt, obwohl er länger ist als 20 μβ. Am Ende des Impulses 83 kehrt die Ausgangsspannung Vo wieder auf +14 V zurück und wird auf diesem Wert bis zu dem Zeitpunkt bleiben, an dem die Schwellenspannung wieder überschritten wird.

Wie Fig.5 zeigt, umfaßt das Zeitglied 51 eine monostabile Kippschaltung oder ein Monoflop 90 mit einer Kippzeit von 20 μβ und mit einem Setzeingang, welcher mit dem Eingang 91 des Zeitgliedes 51 verbunden ist Der Ausgang dieses Monoflops 90 ist durch eine Differenzierschaltung 92 und ein normalerweise offenes Tor 93 mit dem Setzeingang eines zweiten Monoflops 94 mit einer Kippzeit von ebenfalls 20 μβ verbunden, dessen Ausgang den Ausgang des Zeitgliedes 51 bildet. Zusätzlich ist der Eingang 91 des Zeitgliedes 51 mit dem Steuereingang des normalerweise offenen Tores 93 verbunden. Auf diese Weise wird das normalerweise offene Tor 93 für die Dauer jedes dem Eingang 91 und dem Setzeingang des Monoflops 90 zugeführten Eingangsimpulse gesperrt. Die Differenzierschaltung 92 umfaßt beispielsweise einen Kondensator 96 mit einer Kapazität von 0,0001 μΡ, dessen dem Eingang der Differenzierschaltung abgewandter Anschluß über einen Widerstand 97 von 1000 Ohm mit Masse verbunden ist, wodurch eine Zeitkonstante von 1 μβ erzeugt wird. Die über dem Widerstand 97 erzeugte Spannung bildet das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 92 und wird dem Eingang des normalerweise offenen Tores 93 zugeführt Auf diese Weise setzt jeder Impuls 98, der dem Eingang 91 des Zeitgliedes 51 zugeführt wird, den Eingang des Monoflops 90 und sperrt zur gleichen Zeit das normalerweise offene Tor 93 während einer Zeitspanne, die genau so groß ist wie die Breite des Impulses. Das Setzen des Eingangs des Monoflops 90 erzeugt an dessen Ausgang einen Impuls 99 mit einer Breite von 20 μβ. Die Wahl ist so getroffen, daß es sich bei dem Impuls 99 um einen negativen Impuls handelt so daß seine Rückflanke einen nach positiveren Werten gerichteten Verlauf hat Da die Zeitkonstante der Differenzierschaltung 92 nur 1 μβ beträgt, werden die Vorderflanke und die Rückflanke des Impulses 99 zu einem negativen Nadelimpuls 100 und einem 20 μβ später auftretenden positiveren Nadelimpuls 101 differenziert Auf diese Weise wird dann, wenn der Eingangsimpuls 98 länger dauert als 20 μβ, das normalerweise offene Tor 93 beim Auftreien des positiven Nadelimpulses 101 gesperrt werden, wodurch an seinem Ausgang kein Signal erscheint, das zweite Monoflop 94 nicht gesetzt wird und am Ausgang des Zeitgliedes 51 kein Signal erscheint Andererseits wird dann, wenn der Eingangsimpuls 98 eine kürzere Dauer als 20 μ5 aufweist, das normalerweise offene Tor 93 vor dem Auftreten des Rückflanken-Nadelimpulses 101 leitend, wodurch der Nadelimpuls 101 durch das normalerweise offene Tor 93 hindurch zum Setzeingang des zweiten Monoflop 94 gelangt und hierdurch an dessen Ausgang und folglich am Ausgang des Zeitgliedes 51 einen Impuls 102 erzeugt

In F i g. 6 ist die Funktionsweise des Zeitgiiedes 51 zusammengefaßt Wenn ein Impuls 104 mit einer Dauer von mehr als 20 us dem Eingang 91 des Zeitgiiedes 51 zugeführt wird, werden der Impuls 99 am Ausgang des

Monoflops 90 und ebenso die Nadelimpulse 100 und 101 erzeugt, während das normalerweise offene Tor 93 im gesperrten Zustand gehalten wird. Daher wird dem Setzeingang des zweiten Monoflops 94 kein Signal zugeführt, und folglich erscheint kein Signal am Ausgang des Zeitgliedes 51. Andererseits erscheint, wenn ein Impuls 105 mit einer Dauer von weniger als 20 μς dem Eingang 91 des Zeitgliedes 51 zugeführt wird, die RUckflanke des durch das Monoflop 90 erzeugten Impulses 99 zusammen mit dem Nadelimpuls 101 nach dem Ende des Impulses 105. Daher ist das normalerweise offene Tor 93 durchlässig, wenn der Nadelimpuls 101 auftritt. Auf diese Weise ist es möglich, daß der Nadelimpuls 101 durch das normalerweise offene Tor 93 hindurchläuft und das zweite Monoflop 94 mit einer Kippzeit von 20 μβ setzt und auf diese Weise am Ausgang des Zeitgliedes 51 der Impuls 102 mit einer Zeitdauer von 20 μβ erzeugt wird.

Die Funktionsweise des Geräts zur Untersuchung des in Form kleiner Teilchen vorliegenden Materials kann wie folgt zusammengefaßt werden. Der Laser 10 erzeugt einen scharf begrenzten Lichtstrahl, der auf der Mittellinie 13 des Zylinders 14 durch die Sammellinse 12 fokussiert wird. Die Planpiatte 18, die unter einem Winkel zur Mittellinie 13 des Zylinders 14 angeordnet ist, erzeugt eine Versetzung des vom Laser 10 kommenden Lichtstrahls. Die Richtung der seitlichen Versetzung wird durch den Synchronmotor 17 verändert, der den Zylinder 14 in Umdrehungen versetzt, wobei er bewirkt, daß der Lichtstrahl entlang einer kreisförmigen Bahn verschoben wird. Der derart verschobene Lichtstrahl wird innerhalb der zu untersuchenden Flasche 23 fokussiert und fällt auf die undurchsichtige Scheibe 27 an der entgegengesetzten Seite der Flasche. Während der Lichtstrahl durch die Flüssigkeit hindurchbewegt wird, beleuchtet er Materialpartikel, die innerhalb der Flüssigkeit treiben, wodurch bewirkt wird, daß Licht unter einem Winkel zum Weg des Lichtstrahls gestreut wird. Dieses gestreute Licht wird durch die Sammellinse 32 oder das statt dessen verwendete Sammellinsensystem 36 gesammelt und auf die Silizium-Photodiode 34 fokussiert Im allgemeinen erzeugen Partikel, die auf der Silizium-Photodiode 34 scharf abgebildet werden, einen scharfen Impuls, dessen Breite von der Geschwindigkeit abhängt, mit der der Lichtstrahl bewegt wird, und geringer ist als 20 μβ. Wenn die Partikel nicht scharf abgebildet werden, d. h., wenn sie sich innerhalb des Tiefenschärfenbereichs der Sammellinse 32 oder des Sammellinsensystems 36 befinden, ist der entsprechende Lichtimpuls breiter, wodurch bewirkt wird, daß von der Silizium-Photodiode 34 ein elektrischer Impuls mit einer größeren Breite als 20 μ% erzeugt wird. Falls ein Materiakeilchen durch den Lichtstrahl nur teilweise getroffen wird, wird ein sehr kurzer Lichtimpuls erzeugt, der einen sehr schmalen Impuls am Ausgang der Silizium-Photodiode 34 erzeugt Zusätzlich zu dem bisher Gesagten ist es möglich, daß eine Hintergrundbeleuchtung, die durch ein 50- bis 60-Hz-Netz betrieben wird, die Ursache dafür ist daß Licht mit einer Frequenz von 100 bzw. 120 Hz durch das feinverteilte Material reflektiert wird.

Der Vorverstärker 42 der Schaltungsanordnung nach Fig.3 verstärkt alle durch die Silizium-Photodiode 34 erzeugten Signale. Gleichstrom wird durch den Koppelkondensator 43 unterdrückt Daher wird dann, wenn eine konstante Beleuchtung der Silizium-Photodiode 34 besteht das resultierende Ausgangssignal dieser konstanten Beleuchtung durch den Kondensator 43 unterdrückt, während die restlichen Signale dem Eingang des Bandpaß-Verstärkers 44 zugeführt werden. Reflexionen des Hintergrundlichtes an dem feinverteilten Material treten wegen der typischen Wechselvorgänge der Energiequelle mit 100 bzw. 120 Hz auf. Diese Signale werden durch das niederfrequente Ende des Bandpaß-Verstärkers 44 unterdrückt. Andererseits erfordern Nadelimpulse, die durch ein teilweises Treffen von Partikeln erzeugt werden, eine höhere Frequenz,

ίο um durchgelassen zu werden, so daß sie durch das hochfrequente Ende des Bandpaß-Verstärkers 44 unterdrückt werden. Die übrigbleibenden Impulse, die durch Licht erzeugt werden, das von dem feinverteilten Material innerhalb der Flüssigkeit der Flasche 23 gestreut wird, werden dem Potentiometer 45 zugeführt. Die Einstellung des Abgriffs 46 des Potentiometers 45 ist als Eichung für den Vorverstärker 42 und den Bandpaß-Verstärker 44 gedacht und wird normalerweise nach dem Justieren nicht geändert. Der einstellbare Abgriff 48 des Potentiometers 49 bestimmt andererseits die Schwellenspannung, die die kleinsten Partikel bestimmt, die festgestellt werden.

F i g. 7 zeigt eine repräsentative Eichkurve 110, die in Mikrometer charakteristische Werte der minimalen Abmessungen von Partikeln (Teilchengröße), die festgestellt werden sollen, über der Einstellung der Schwellenspannung angibt. Charakteristische Kurven dieser Art werden durch Benutzung von Lösungen entwickelt, in denen die Partikeln eine bekannte Größe haben. Die mit gestrichelten Linien dargestellte Eichkurve 112 stellt die Größe von Partikeln als Funktion der Schwellenspannung dar, wenn das Neutralfilter 35 (Fig. 1) an seinem Platz ist Wie man aus der Eichkurve 112 sieht, ist die festgestellte minimale Größe der Partikeln wesentlich größer als sie die Eichkurve 110 für die gleiche Schwelleneinstellung anzeigt.

Der Komparator 47 erzeugt Impulse in der oben erklärten Weise für jeden Impuls, der die an seinem Eingang B anliegende Schwellenspannung überschreitet Das Zeitglied 51 scheidet jeden der vom Komparator erzeugten Impulse 47 aus, dessen Breite 20 μ5 überschreitet. Das Einschalten von Hand des Monoflop 55 öffnet für eine vorbestimmte Zeit das Tor 52 und setzt den Zähler 70 zurück. In dem beschriebenen Gerät zählt der Zähler 54, der eine Division durch 10 durchführt nur jeweils einen von zehn Impulsen und das Tor 52 wird so lange offen gehalten, daß das Probevolumen der Flüssigkeit zehnmal abgetastet wird. Das Anzeigegerät 72 liefert eine visuelle Anzeige des Standes des Zählers 70. Die angegebenen Zahlenwerte dienen nur dem Zweck der Erläuterung und können sich je nach den Umständen ändern, beispielsweise in Abhängigkeit von der Abtastgeschwindigkeit

Es können auch Umstände eintreten, bei denen die Viskosität der zu untersuchenden Flüssigkeit verhindert daß das feinverteilte Material Bewegungen ausführt, so daß durch das Abtasten längs der gleichen Abtastbahn ein genauer statistischer Mittelwert des Ergebnisses einer Zählung der Partikel nicht erhalten werden kann.

Es kann daher wünschenswert sein, den scharf begrenzten Lichtstrahl über eine vollständige begrenzte Fläche abzulenken. Ein Gerät mit dieser Funktionsweise ist in Fig.8 dargestellt Wie zuvor, versetzt der Synchronmotor 17 über ein Zahnradgetriebe 16 und ein Zahnrad 15 den Zylinder 14 in Umdrehungen, in dem die Planplatte 18 unter einem Winkel zur Rotationsachse des Zylinders 14 montiert ist Zusätzlich ist ein zweiter Zylinder 113 mit derselben Rotationsachse montiert in

dem ebenfalls eine Planplatte 114 unter einem Winkel zur Rotationsachse angeordnet ist. Die Planplatte 114 darf nicht genau so dick sein wie die Planplatte 18. Der Synchronmotor 17 ist mit dem Zylinder 113 durch ein Zahnradgetriebe 116, das ein anderes Untersetzungsverhältnis hat als das Zahnradgetriebe 16 und ein am äußeren Umfang des Zylinders 113 angeordnetes Zahnrad 117 gekoppelt, so daß der Zylinder 113 mit einer anderen Winkelgeschwindigkeit rotiert als der erste Zylinder 14. Wenn die Winkelgeschwindigkeiten Jer beiden Zylinder fast gleich sind, beschreibt der

Lichtstrahl aufeinanderfolgend größer und kleiner werdende Spiralen, so daß er eine vollständige abgrenzende Fläche ausfüllt. Wenn andererseits der Zylinder 113 mit einer wesentlich größeren Winkelgeschwindigkeit rotiert als der Zylinder 14, beschreibt der Lichtstrahl eine flache, spiralförmige Bahn rings um die Achse der Zylinder 14 und 113. Der Lichtstrahl kann auch periodisch unterbrochen werden, um Überlappungen zu vermeiden oder aus anderen Gründen, oder er kann beliebig oft seitlich versetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Ermitteln der Größe und Konzentration von in einem insbesondere flüssigen Medium suspendierten kleinen Teilchen, mit einer Anordnung zur Erzeugung eines fokussierten Lichtstrahls, der durch das zu untersuchende Medium geleitet wird, mit einer Einrichtung zum Ausblenden des direkten Lichtstrahles nach dem Durchqueren des Mediums, mit einem stationären optischen System, welches das Licht, das an den vom Lichtstrahl in einem zu untersuchenden Bereich des Mediums getroffenen suspendierten Teilchen in einem zum Lichtstrahl konzentrischen Kegel in Strahlrichtung gestreut wird, auf einen Detektor fokussiert, und mit einer Schaltungsanordnung zum Auswerten der elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung einer ruhenden Suspension eine Ablenkeinrichtung (17, 18,114) für den Lichtstrahl vorgesehen ist, die bewirkt, daß der Lichtstrahl in einem quer zu seiner Ausbreitungsrichtung verlaufenden, vorgegebenen ebenen Bereich eine in sich geschlossene Bahn beschreibt, und daß das optische System (32,36) zum Abbilden des untersuchten Bereichs auf den Detektor (34) eine verhältnismäßig kleine Tiefenschärfe hat

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (32) eine Sammellinse aufweist, deren Fläche größer ist als der vom Lichtstrahl abgetastete ebene Bereich und deren Abstand von diesem Bereich gleich dem Doppelten ihrer Brennweite ist, und daß auf der dem Medium abgewandten Seite der Sammellinse ebenfalls in einem dem Doppelten ihrer Brennweite gleichen Abstand der Detektor (34) angeordnet ist

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (36) eine erste Sammellinse (37) mit einer Fläche aufweist, die größer ist als der vom Lichtstrahl abgetastete ebene Bereich und im Abstand ihrer Brennw.eiten fa von diesem Bereich angeordnet ist, daß hinter der ersten Sammellinse (37) eine zweite Sammellinse (38) mit der Brennweite fb angeordnet ist, welche die gleiche Fläche aufweist wie die erste Sammellinse, und daß zwischen der zweiten Sammellinse (38) und dem Detektor (34) eine Anordnung vorgesehen ist, die das von der zweiten Sammellinse (38) erzeugte Bild auf den Detektor (34) fokussiert.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung des Lichtstrahles gesehen hinter der zweiten Sammellinse (38) eine dritte Sammellinse (39) mit der Brennweite fc im Abstand fb + fc angeordnet ist und daß eine vierte Sammellinse (40) mit der Brennweite fd im Abstand fd von dem Detektor (34) angeordnet ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ebenen Bereich und dem optischen System (32, 36) eine undurchsichtige Scheibe (27) angeordnet ist, auf die der direkte Lichtstrahl auftrifft.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (17, 18, 114) eine Einrichtung aufweist, die eine Parallelverschiebung des Lichtstrahles und ein Rotieren des verschobenen Lichtstrahles um die Achse des ursprünglichen Lichstrahles bewirkt

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Parallelverschiebung des Lichtstrahles mindestens eine Planplatte (18, 114), die im Weg des Lichtstrahls unter einem Winkel zu dessen Richtung angeordnet isi, und eine Vorrichtung umfaßt, die die Planplatte (18,114) um eine zum ursprünglichen Lichtstrahl konzentrische Achse (113) in Umdrehung versetzt

8. Gerät nach Ansprüche oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einrichtungen zur Parallelverschiebung und zum Rotieren des verschobenen Lichtstrahls hintereinander angeordnet und die Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Einrichtungen voneinander verschieden sind.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeiten sich nur wenig voneinander unterscheiden.

10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit der ersten Einrichtung wesentlich größer ist als diejenige der zweiten Einrichtung.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelverschiebung beider Einrichtungen verschieden groß ist

12. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Einrichtung zur Parallelverschiebung des Lichtstrahles eine Blende (21) zum Abfangen von in der Planplatte (18) reflektiertem Licht angeordnet ist