DE2558392A1 - Partikelanalysator - Google Patents
PartikelanalysatorInfo
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Description
PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT
D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon 832024/5
Telex 5212744 · Telegramme Interpatent *y r r ρ O Q O
R14 Pl D -
William Guy Rowe
Boonville, CaI.
Boonville, CaI.
Partikelanalysator
Priorität: 8. Januar 1975 - USA - Ser. No. 539.341
Es wird eine Anordnung zur Partikelsnalyse beschrieben, die
on-line im Echtzeitbetrieb arbeitet und so adaptierbar ist, daß sie in Prozeßsteuerungen verwendet werden kann, wobei
die Analyse eine Basis für die Steuerung des Prozesses liefert. Bilder von Partikeln werden auf eine Reihe von lichtempfindlichen
elektronischen Elementen fokusiert. Das resultierende
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Lichtmuster wird in digitale Daten umgesetzt, die wiederauffindbar
in einem Speicher gespeichert werden. Eine Analyse der Daten mittels digitaler Logik liefert Information hinsichtlich
der Partikelzählungen, -größe, -form und anderer physikalischer Charakteristiken. Es wird eine Zwischenspeicherung in der
lichtempfindlichen Anordnung selbst vorgesehen, die eine Datenakkumulation unter Verwendung von stroboskopischer Beleuchtung
kurzer Dauer erlaubt.
. Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Verwendung beim Zählen,
Sortieren hinsichtlich Größe und Form, und Anzeige der Zählung, Größe und Form des Partikelgehaltes eines Strömungsmittels.
Es besteht ein Bedarf für Einrichtungen, die in der Lage sind, Partikel schnell zu analysieren, insbesondere Partikel, die in
einem sich bewegenden Strömungsmittel suspendiert sind. Es gibt breit gefächerte Anwendungen für solche Einrichtungen, beispielsweise
Untersuchungen von Wasser- und Luftverunreinigungen, Erzraffinerie, Bakteriologie, Pathologie, Metallurgie, medizinische
Grundlagenforschung und medizinische Diagnose.
Einigen Anwendungsfällen kann zwar durch Laborgeräte Rechnung
getragen werden, in vielen anderen Anwendungsfällen werden jedoch Geräte benötigt, die on-line in Echtzeit arbeiten
können, so daß die von der Analyse gewonnene Information zur Beeinflussung des Prozesses verwendet werden kann, um die
Ausbeute des Prozesses zu verbessern.
Bisher wurde eine Bestimmung des Partikelgehalts von Strömungsmitteln
dadurch durchgeführt, daß eine Probe, die unter kontrollierten
Bedingungen entnommen wurde, zur Mikroskopie präpariert und analysiert wurde. Photographien mit präziser Vergrößerung
können von einer Probe angefertigt werden und visuell
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geprüft werden, oder es kann auch eine direkte visuelle Prüfung der Probe durch das Mikroskop verwendet werden. Ein Labortechniker
zählt die Anzahl von Partikeln und klassifiziert sie hinsichtlich Größe in einer repräsentativen und präzise
bekannten Fläche der Probe. Das Vorgehen ist mühsam, zeitaufwendig
und weiten Variationen unterworfen hinsichtlich der Erfahrung, der Sehschärfe und der Stimmung des Technikers. Diese"
Probleme werden noch weiter erschwert, wenn Partikel innerhalb eines großen Bereiches von Größen und Formen in der Probe"
vorhanden sind. ■
Um diese Nachteile zu beseitigen, sind Anordnungen entwickelt worden, die analoge Fernsehkameras oder diskrete Strahlfleckabtaster
verwenden, wobei in beiden Fällen das Prinzip benutzt wird, ein festes Gesichtsfeld in eine Anzahl benachbarter
Abtastzeilen zu zerlegen, von denen jede einen schmalen Schlitz des Gesichtsfeldes repräsentiert. Durch elektronische Zeitgabe
und Synchronisation kann das Vorhandensein und die Lage von Partikeln in jeder Zeile detektiert werden. Benachbarte Zeilen
können dann elektronisch verglichen und das Vorhandensein oder Fehlen des Bildes in jeder benachbarten Zeile bestimmt werden.
Durch Messen der Zeit, in der jeder Partikel in einer einzelnen
Abtastung vorhanden ist, und durch Zählen der Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastungen, in denen der Partikel vorhanden
ist, wird eine zweidimensionale Messung des Partikels erreicht.
Während eine bewegungslose Probe auf diese Weise ohne Schwierigkeiten
abgetastet werden kann, ist verständlich, daß die Probleme, unzweideutige Zählungen von Partikeln zu erhalten,
und die Größen und Formen von Partikeln zu bestimmen, erheblich anwachsen, wenn sich die Probe in Bewegung befindet, wie das
beispielsweise in fast allen Anwendungen zur Prozeßsteuerung
der Fall ist. Übliche Fernsehkameras haben typischerweise
Bildzahlen von zehn bis dreißig Bildern pro Sekunde, und 200 bis 1.000 Zeilen pro Bild. Da die Probenströmungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu der Rate, mit der die
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Zeilenabtastung sich über das Feld bewegt, niedrig sind, wird die Neigimg zu Doppelzählungen erhöht. Wenn die Probengeschwindigkeit
hoch wird und einen merklichen Bruchteil der Zeilenabtastrate erreicht, wird die Neigung größer, Zählungen
auszulassen. Weiterhin werden die Zählungen der kleineren Partikel in einer Gruppierung häufiger ausgelassen als
Zählungen größerer Partikel, und zwar auf Grund der geringeren Wahrscheinlichkeit einer Feststellung der kleineren Partikel.
Während die Strömungsraten innerhalb eines engen Bereiches eingestellt werden können, beispielsweise durch Steuerung der
Verdünnung der Hauptprobe, kann die Zweideutigkeit nicht vollständig aufgelöst werden. Weiterhin kann die statistische
Verzerrung der Daten, die sich durch eine veränderliche Wahrscheinlichkeit der Feststellung ergibt, durch statistische
Manipulation nicht leicht korrigiert werden, da die Partikelverteilungsfunktionen
typischerweise ziemlich unregelmäßig sind. Grobe, vereinfachende Annahmen hinsichtlich des Verhaltens
der Kurve der Verteilungsfunktion werden erforderlich, um auch nur sehr elementare Korrekturen durchzuführen.
Die Formfeststellung wird ebenfalls durch strömende Proben ungünstig
beeinflußt. Wenn die Partikelbildgeschwindigkeit so ist, daß das Bild die Bildebene in der gleichen Richtung und
der gleichen Zeit wie die Abtastung überquert, scheint das Partikelbild so lang zu sein v/ie der Schirm hoch ist. Ein
umgekehrter Effekt, d.h., eine scheinbare Verkürzung des Bildes, tritt ein, \ienn die Bewegung in umgekehrter Richtung
verläuft. Die Verwendung einer stroboskopischen Beleuchtung mit einer geringeren Zeit als die für ein vollständiges Bild
erforderliche ist natürlich unmöglich, weil nur ein Teil der Abtastung belichtet würde. Beleuchtungsforderungen und
Bildraten stehen also in analogen Fernsehkameras immer in gegenseitiger Beziehung. Ersichtlich ist also diese "Bewegungsstop"-Wirkung
mittels stroboskopischer Beleuchtung auf Partikelgeschwindigkeiten beschränkt, die das Gesichtsfeld
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in Zeiten durchqueren, die erheblich größer sind als die Zeit, die für die vollständige Abtastung eines Bildes erforderlich
is-t.
Es könnte scheinen, daß eine Vergrößerung oder Verringerung der Abtastrate erwünscht wäre, um ein Ansteigen oder Fallen der
Probendurchflußraten zu berücksichtigen, das Grund-Betriebsschema von analogen Fernsehkameras schließt Jedoch eine
Variation der Abtastraten in praktisch ausführbaren Anordnungen aus. Diese praktische Begrenzung ergibt sich aus der
Notwendigkeit für kritische Zeitgabe und Synchronisation der Anordnung. Um einen nutzbaren Video-Ausgang von der Kamera zu
erhalten, muß die Lage des Abtaststrahls, an dem jeder Schritt des Video-Ausgangssignals erzeugt wird, präzise bekannt sein.
Um diese Stelle präzise zu kennen, müssen der exakte Zeitpunkt des Abtastbeginns, die exakte Abtastrate und die exakte
Position jeder Abtastlinie auf dem Kamera-Bildschirm präzise bekannt und gesteuert sein. In praktischen Anordnungen sind
die Zeitgabe und die Abtastrate streng festgelegt und es wird alles versucht, eine Variation derselben zu verhindern. Es
ist zwar theoretisch möglich, dafür zu sorgen, daß eine solche Anordnung asynchron arbeitet, vom praktischen Standpunkt ir.t
das jedoch keine brauchbare Lösung, weil eine extreme Komplizierung der Konstruktion in allen Aspekten der Anordnung das
unmittelbare Resultat eines Versuches ist, die Anordnung asynchron arbeiten zu lassen.
Ein weiteres Problem bei analogen Fernsehanordnungen besteht darin, daß die Empfindlichkeit der Anordnung mit der Rate in
Beziehung steht, mit der der Strahl den Schirm überstreicht. Kleinere Abtastgeschwindigkeiten können dazu verwendet v/erden,
die Empfindlichkeit zu erhöhen, dadurch wird jedoch die maximale Abfragerate herabgesetzt und die Geschwindigkeit des Probenflusses
begrenzt, der Rechnung getragen werden kann. Umgekehrt
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können die Abfrageraten erhöht werden, jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit. Wenn also ein Parameter optimiert wird,
leidet der andere proportional.
Ein Teil der Empfindlichkeitsbegrenzung kann dadurch überwunden werden, daß höhere Beleuchtungspegel verwendet werden,
wenn höhere als normale Bildzahlen verwendet werden. Eine praktische Begrenzung für die maximale nutzbare Beleuchtung
wird jedoch schnell erreicht, da starke Beleuchtung Betrachtungen hinsichtlich der Größe, des Gewichtes und der Wärmeabfuhr
ins Spiel bringt, die kompakte Probenkammerkonstruktionen unpraktisch machen.
Allen Abtastmethoden der Partikelanalyse sind gewisse Fehler gemeinsam, und zwar auf Grund von Faktoren wie Zusammentreffen
von Partikeln, unregelmäßige Formen von Partikeln und eine Kantenabtastung von Partikeln. Das übliche Verfahren zur
Handhabung dieser Probleme besteht darin, daß eine statistische Justierung der Ausgangsdaten herbeigeführt wird. Dieses Verfahren
ist gewöhnlich befriedigend, je nach der für eine spezielle Anwendung geforderten Präzision. Ein ärgerlicheres Problem ist
jedoch der Fehler auf Grund des Vorhandenseins von Blasen in der Probe. Blasen können in allen Größenbereichen vorhanden
sein und sind besonders zu beachten, wenn die Probe von einem sehr turbulenten Prozeß gezogen wird. Ein Kugelmühlenzyklon
bei der Erzraffinerie ist ein gutes Beispiel für eine solche Probenquelle.
Die Blase bietet eine ungewöhnlich störende Fehlerquelle, v/eil
ihr optisches Bild grundsätzlich dem eines massiven, sphärischen Partikels gleich ist. Die Menge von in der Probe vorhandenen
Blasen ist unvorhersehbar, und deshalb sind statistische Korrekturen unmöglich. Der Analysator muß deshalb in der Lage
sein, Blasen von festen Partikeln zu unterscheiden, um eine genaue Zählung zu erhalten. Bei einigen Anordnungen ist versucht
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worden, dieses Problem dadurch zu vermeiden, daß Blasen aus dem Probenströmungsmittel eliminiert wurden. Diese Lösungsmöglichkeit ist technisch gesund, die erforderliche Einrichtung
ist jedoch massig, schwer und mechanisch kompliziert.
Eine Eigenschaft des optischen Bildes einer Blase erlaubt es, dieses von dem eines festen Partikels zu unterscheiden, wenn
eine Einrichtung verfügbar ist, die in der Lage ist, Muster zu erkennen. Der größte Teil des Lichtes, das auf die Oberfläche
einer Blase trifft, wird von dem ursprünglichen V/eg weggebrochen,
so daß ein scheinbarer Schatten verbleibt, wie das bei einem festen Partikel der Fall wäre. In der Mitte der
Blase ist Licht jedoch senkrecht zu den Oberflächen der Blase und wird deshalb nicht gebrochen. Stattdessen tritt es durch
die Blase hindurch, so daß das Bild der Blase das Aussehen eines massiven Partikels hat, der in der Mitte eine kleine
Öffnung hat.
Anordnungen, die auf der Kantenfeststellung mittels eines Abtaststrahls beruhen, werden von dieser Form verwirrt. Da
einfache analoge Abtastsysteme Bilddaten nicht speichern, ist es unmöglich, auch nur einfache Mustererkennungsroutinen
durchzuführen, ohne zu aufwendigen analogen Speicher- und Wiederauffind-Systemen Zuflucht zu nehmen. On-line-Betrieb
einer solchen Anlage würde unter Verwendung bekannter Techniken so langsam sein, daß sie für praktische Zwecke nicht
in Frage kommt, und würde die Umwandlung analoger Daten in ein digitales Format zur Verarbeitung erfordern, so daß die
ganze Anlage sehr teuer und kompliziert würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Partikelanalysator verfügbar zu machen, der auf Partikel innerhalb eines großen
Bereiches von Größen und Formen anspricht und zwischen diesen unterscheiden kann, und der in der Lage ist, mit Geschwindigkeiten
zu arbeiten, die ihn für on-line-Echtzeit-Betrieb bei der Prozeßsteuerung brauchbar machen.
Weiter soll durch die Erfindung ein Partikelanalysator verfügbar gemacht werden, der in der Lage ist, in Verbindung
mit einer sich bewegenden Probe mit minimaler Zählzweideutigkeit oder minimalen Form- und Größen-Analyse-Fehlern zu arbeiten,
die sich aus der Probenbewegung ergeben.
Darüber hinaus soll durch die Erfindung ein Partikelanalysator verfügbar gemacht v/erden, der in der Lage ist, die relative
numerische Verteilung verschiedener Größen und Formen von Partikeln zu bestimmen und darzubieten.
Kurz gesagt, werden gemäß der Erfindung Partikel dadurch gezählt und analysiert, daß ein Lichtstrahl durch ein Proben
mit sich führendes Strömungsmittel projiziert wird und ein Bild der Partikel auf eine Bildebene fokusiert wird, in der
eine LSI-Anordnung von lichtempfindlichen elektronischen Elementen angeordnet ist. Jedes Element wird in digitaler Form
adressiert und abgelesen, und die so erhaltene Information wird in einem digitalen Speicher mit willkürlichem Zugriff gespeichert,
der die gleiche Yfortkapazität hat wie Elemente in der Reihe vorhanden sind. Die von der Reihe erzeugte und im
Speicher gespeicherte Information wird das elektronische Äquivalent eines Mikrophotos. Die in diesem "Photo" enthaltene
Information wird mit einem digitalen Analyseprozeß analysiert, der die Partikel zählt, sie hinsichtlich der Größe klassifiziert
und die damit erhaltene Information speichert.
.../9 609829/0752
Gemäß einer speziellen Ausführung der Erfindung wird die im Digitalprozessor gespeicherte Information mit Information über
die Durchflußrate kombiniert, und die Kombination wird analysiert, um eine Partikelzählung pro Volumeneinheit zu erhalten und,
gewünschtenfalls, hinsichtlich Größe sortierte Partikelzählungen
pro Volumeneinheit, oder Gewichtsprozentsatz von Festkörpern.
Gemäß einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung werden die relativen Partikelverteilungen bestimmt und die Information
in ein kontinuierlich auf den neuesten Stand gebrachtes Histogram übertragen, das angezeigt wird.
Gemäß noch einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung weist die Lichtquelle für die Probenkammer eine stroboskopische
Beleuchtung sehr kurzer Dauer und hoher Intensität auf, so daß eine Analyse von. sich sehr schnell bewegenden Partikeln durch
die Speichereigenschaften der lichtempfindlichen Anordnung ermöglicht wird. Gemäß diesem Merkmal wird die im "Photo"
enthaltene Information in der lichtempfindlichen Reihe für eine ausreichende Zeit aufbewahrt, um die Information zum
Speicher mit willkürlichem Zugriff zu übertragen, wo sie zur Verarbeitung in wiederauffindbarer Weise gespeichert wird.
Während die Speicherzykluszeit und die Verarbeitungszeit groß
gegen die Dauer der stroboskopischen Beleuchtung sind, ist die Abfragerate immer noch schnell genug, um statistische Änderungen
im Partikelgehalt der Probe festzustellen.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausbildung der Erfindung ist für solche Anwendungsfälle, bei denen es erwünscht ist, Partikelformen
zu unterscheiden, eine Mustererkennungsmöglichkeit vorgesehen, die zusätzlich dazu, daß sie Formen unterscheiden kann,
falsche Partikelzählungen durch Blasen im Probenströmungsmittel eliminieren kann.
.../10 609829/0752
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Partikelanalysators mit Merkmalen der Erfindung;
Fig. 2 schematisch die Beleuchtung der die Partikel mitführenden Probe bei ihrem Durchtritt durch die
Probenkammer, die Fokussierung des durchgelassenen Lichtes und die resultierenden Lichtmuster, die auf
die Reihe oder Anordnung von lichtempfindlichen elektronischen Elementen auftreffen;
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Steuerlogikteils der Anordnung
nach Fig. 1;
Fig. 4 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schema
einer bevorzugten Ausführungsform'der Anordnung aus
lichtempfindlichen elektronischen Elementen; und
Fig. 5 schematisch eine brauchbare Bildschirmwiedergabe, wie sie typisch für Wiedergaben ist, die für die
Erzraffinerie gedacht sind, wobei Partikelzählungen pro Zeiteinheit dargestellt sind, die entsprechend
den Größenbereichen kategorisiert sind.
In Fig. 1 ist ein Partikelanalysator mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Partikelanalysator weist eine Probenkammer 25
auf, durch die ein Proben mit sich führendes Strömungsmittel hindurchtritt. Die Probenkammer ist zur Darstellung als vollständig
transparent dargestellt, ist Jedoch vorzugsweise nur auf zwei entgegengesetzten Seiten transparent, und zwar für
Durchlicht-Probenbelichtung. Die Probenkammer ist auch vorzugsweise so ausgelegt, daß sie auf Grund der Kammergeometrie
Turbulenzen erzeugt, die eine statistische Verteilung und Orientierung der Partikel hervorruft, wenn die Probe durch die
Probenkammer hindurchtritt.
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Ein Strömungsmittel-Steuersystem, das aus Pumpen 18, 21 und 24
sowie Ventilen 17, 20 und 23 besteht, bildet eine Einrichtung, mit der die Strömungsrate des Proben-Strömungsmittels und seine
Verdünnung gesteuert werden können,und zur Säuberung der Proben^
kammer, je nach Betriebsbedingungen. Durchflußmeter 10, 16, 19
und 22 sind in jedem Zweig des Strömungsmittel-Steuersystems vorgesehen, damit sie bei der Bestimmung der Durchflußraten
und Verdünnungen verwendet werden können. Eine Einstellung dieser Größen, oder Berücksichtigung ihrer Wirkungen in den
statistischen Berechnungen, wird durch die Durchflußmesser erleichtert.
Ein Dichtemeßgerät 12 ist ebenfalls in der Ausgangsleitung vorgesehen, um den Gewichtsprozentsatz an Festkörpern zu
berechnen und auszugeben.
Eine mit einer programmierbaren Energiequelle 15 gesteuerte Lichtquelle 14 sorgt für eine Beleuchtung des Probenströmungsmittels
bei dessen Durchlauf durch die Probenkammer.
Obwohl eine Beleuchtung mit irgendeinem Lichtstrahl erreicht werden kann, der ausreicht, das Gesichtsfeld mit gleichförmiger
Beleuchtungsstärke zu überdecken, wird kollimiertes Licht bevorzugt und in der bevorzugten Ausführungsform auch dargestellt,
wie es durch eine Kollimatorlinse 13 erreicht wird. Eine mono- <chromatische
Lichtquelle, beispielsweise ein Laser, ist ebenfalls zu bevorzugen, weil er die Kompliziertheit des optischen"
Systems, das zum Kollimieren des Strahls und zum Fokussieren des Bildes in der Brennebene bekanntlich erheblich reduziert.
Ein Laser bietet auch die Möglichkeit eines Impulsbetriebs bei hohen Intensitäten, wodurch die Möglichkeit einer höheren Abfragegeschwindigkeit
erreicht wird, wie noch erläutert wird. Weiter kann eine Laser-Beleuchtung gewählt werden, die an die Wellenlänge
optimaler Empfindlichkeit der Silizium-Photodioden angepaßt ist, die die lichtempfindliche Anordnung 32 bilden.
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Es ist zwar eine Durchlichtbeleuchtung als bevorzugte Ausführungsform
dargestellt, es ist jedoch auch möglich, eine Belichtung mit reflektiertem Licht zu verwenden, und in einigen
Fällen ist es erwünscht, das zu tun.
Bilder von Partikeln in der Probe werden in eine Brennebene mittels einer Optik mit variabler Vergrößerung fokusiert,
die aus einem Objektiv 26, einem Kupplungsring 27, einem Okular 30 mit variabler Vergrößerung und dem zugehörigen
Kupplungsring 31 besteht.
In der Brennebene der Fokussieroptik ist eine LSI-Anordnung 32 aus Silizium-Photodioden angeordnet, beispielsweise
eine Matrix von 100 Elementen mal 100 Elementen. Bilder der abgetasteten Partikel werden auf die Anordnung fokusiert
und es ergibt sich im Falle von Durchlicht ein Schattenbild der Partikel. Fig. 2 zeigt in vereinfachter schematischer
Form die Beziehung zwischen der Lichtquelle 14, der Probenkammer 25, der Fokusieroptik 201 und der lichtempfindlichen
Anordnung 32. Die Blase 202 innerhalb der Probenkammer 25 und das Blasenbild 203 auf der Anordnung 32 sind besonders zu
beachten. Der charakteristische helle Fleck in der Mitte des Blasenbildes 203 wird dazu verwendet, Blasen von massiven
sphärischen Partikeln zu unterscheiden.
Die Vergrößerung der Optik 26, 27, 30 und 31 wird mit einem
umkehrbaren Schrittmotor 29 gesteuert, der das Okular 30 mit variabler Vergrößerung innerhalb des Bereiches mittels
eines Vorgeleges 28 einstellt. Die Vergrößerung der Partikel wird entsprechend dem zu analysierenden Größenbereich gewählt.
Partikel der geringsten Größe erfordern eine Vergrößerung bis zu wenigstens dem Punkt, an dem das kleinste interessierende
Bild einen merklichen Bruchteil eines lichtempfindlichen Elementes überdeckt. Eine weitere Vergrößerung, bis das kleinste
.../13
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interessierende Bild eine Sektion der Anordnung von 3 Elementen mal 3 Elementen als Minimum überdeckt, ist erforderlich, ehe
die Fähigkeit des Analysators, Blasen zu eliminieren, verwendet werden kann.
Fig. 4 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der lichtempfindlichen
Anordnung in vereinfachter schematischer Form. Ein Teil der Anordnung ist zur Vereinfachung der Zeichnung dargestellt.
Ein Detail 401 einer Einheitszelle 402 ist ebenfalls dargestellt, und das ist typisch für alle Zellen der Anordnung. Im dargestellten
Beispiel ist die Anordnung in einer zweidimensionalen Matrix organisiert, die 100 Spalten 403 und 100 Zeilen 404 aufweist,
oder 10.000 Kreuzungspunkte 405, die 10.000 lichtempfindlichen Elementen entsprechen. An jedem Kreuzungspunkt
befindet sich eine Einheitszelle 402. Im Detail der Einheitszelle 402 ist erkennbar, daß hier vorgesehen sind: eine Silizium-Photodiode
406, ein Kondensator 407, der zur Silizium-Photodiode 406 parallel geschaltet ist, ein Analogschalter 408, ein
UND-Gatter 410 und ein Treiber 4ll, der den Analogschalter 408 treibt.
Jede Zelle hat zwei Logikeingänge, die mit dem UND-Gatter 410 verbunden sind, einen Rückanschluß 412 und einen Videoausgang 413.
Jeder Rückanschluß ist mit einer gemeinsamen Rückschiene 415 verbunden, und jeder Videoausgang 413 ist mit einer Videoschiene
4l6 verbunden. Der Signalfluß durch die Videoschiene und die gemeinsame Schiene 415 wird durch den Zustand des
Analogschalters 408 gesteuert, der in Reihe mit dem gemeinsamen Anschluß 412, dem Videoausgang 413 und der Photodiode 406 ist,
der der Kondensator 407 parallel liegt. Der Zustand des Analogschalters 408 wird seinerseits durch den Zustand gesteuert,
der an den Logikeingängen der Zelle vorhanden ist.
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Für jede Spalte der Anordnung ist ein Eingang jeder Zelle mit einer gemeinsamen Schiene verbunden, während in jeder Zeile der
Anordnung der andere Eingang mit einer gemeinsamen Schiene verbunden ist. Es ist damit möglich, irgendeine bestimmte Zelle
dadurch anzuwählen, daß das entsprechende Paar von gemeinsamen Spalten- und Zeilen-Schienen oder -Leitern gewählt und erregt
wird, so daß die Photodioden-Kondensator-Kombination 407 und über den Analogschalter 408 mit der Videoschiene verbunden wird.
Die Wählrate wird normalerweise auf einen festen Wert gesteuert, so daß die Belichtungszeit ebenfalls gesteuert wird, wenn mit
kontinuierlicher Beleuchtung gearbeitet wird. Wenn jede Zelle ausgewählt ist, wird der Kondensator 407, der parallel zur Photodiode
406 liegt, mit der Videoschiene 4l6 verbunden, und auf die Potentialdifferenz geladen, die zwischen der Videoschiene 416
und der Rückschiene 415 besteht. Während des Restes der Zykluszeit entlädt der Photostrom der Photodiode 406 den Kondensator
mit einer Rate, die von der Belichtung abhängt, der die Diode ausgesetzt ist. Wenn irgendeine Belichtung fehlt, fließt kein
Strom durch die Diode 406, und der Kondensator 407 bleibt voll geladen. Wird die gleiche Diode 406 wiederholt unter Dunkelbedingungen
angewählt, ergibt sich keinerlei Signalstrom in der Videoschiene 4l6. Wenn jedoch irgendeine Belichtung auf
die Photodiode 406 fällt, wird der Kondensator 407 proportional zur mittleren Beleuchtungsintensität entladen. Wird die
Einheitszelle 402 unter dieser Bedingung mit der Videoschiene 416 verbunden, ergibt sich ein Ladungsfluß von der Videoschiene
4l6 in den Kondensator 407. Die durch diesen Prozeß erzeugten Stromimpulse stellen den Videoausgang der Anordnung dar.
Ein Anwählen der Dioden 406 in einer ordentlichen Folge wird dadurch erleichtert, daß zwei Earallelzugriff-Schieberegister
und 418 von je 100 Bit vorgesehen werden, von denen jeweils
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ein Ausgang eine der Leitungen treibt, die den Spalten- bzw.
Zeilen-Logikschienen entsprechen. Beim Start einer Folge führt ein Startimpuls von einem Startimpulsgenerator 304 für die
lichtempfindliche Anordnung ein Bit in den Startimpulseingang beispielsweise des Spalten-Schieberegisters 417 ein. Bei Jedem
folgenden Taktimpuls schreitet das Bit sequentiell das Register durch, so daß jede Spaltenschiene erregt wird und damit
ein Eingang der Gatter aller Einheitszellen 402 vorbereitet wird, der mit der Schiene verbunden ist. Wenn ein ähnliches
Bit in das Zeilenregister 418 eingeführt wird, und das Zeilenregister Jeweils um eine Position fortgeschaltet wird, wenn
das Spaltenregister einen Zyklus vollendet hat, wird eine sequentielle Abtastung Jedes einzelnen Elementes der Anordnung
durchgeführt.
Wenn eine kontinuierliche Beleuchtung verwendet wird, nutzt der
Betrieb der Anordnung in der Betriebsweise Ladungsspeicherung, Ladungsabfuhr voll die natürlichen Empfindlichkeiten der Dioden
aus, da der Lichtstrom über praktisch die gesamte Zykluszeit der Anordnung integriert wird. Bei Verwendung mit stroboskopischer
Beleuchtung geht dieser Vorteil verloren, das kann Jedoch dadurch kompensiert werden, daß höhere momentane Lichtintensitäten
verwendet werden.
Die Beleuchtungsquelle ist komplizierter, wenn eine stroboskopische
Beleuchtung verwendet wird, die Speichereigenschaft der Anordnung macht Jedoch eine stroboskopische Beleuchtung
erwünscht. Indem stroboskopische Quellen mit hoher Intensität und kurzer Dauer verwendet werden, ist ein "Bewegungsstop"-Betrieb
mit Geschwindigkeiten möglich, die um Größenordnungen höher liegen als es derzeit mit analogen Kamerasystemen
möglich ist. Beispielsweise können Lichtdauern von nur 200 Nanosekunden verwendet werden. Innerhalb dieser Zeitperiode
kann ein Vollbild von Partikelbildern aufgezeichnet werden, entsprechend der gesamten Bildabtastung eines analogen
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Fernsehkamerasystems. Das Bild, das auf die Anordnung auftrifft, wird als Ladungsverarmung in den Kondensatoren gespeichert,
die jeder Diode parallel liegen. Die Dauer, Intensität und die Öffnung der Optik können alle so eingestellt werden, daß ein
Video-Ausgang-(Ladungs-Wiedererholung)-Signal erhalten wird, das äquivalent dem optimalen Videoausgang mit konstanter Beleuchtung
ist, jedoch ohne die Bildverfälschung, die sich ergeben würde, wenn das Bild für die Zeit beleuchtet würde,
die zum Abtasten der Anordnung erforderlich wäre.
Die der Anordnung innewohnende Bildspeichereigenschaft erlaubt es, die Anordnung in Anwendungsfällen mit hoher Probengeschwindigkeit
zu verwenden, ohne daß Bildverzerrung oder Zählzweideutigkeiten auftreten können, die sich aus einer Bewegung
der Probe ergeben.
Eine Abstandsmessung unter Verwendung der Anordnung unterscheidet sich deutlich von der Technik, die dazu verwendet wird, den
Ausgang einer analogen Fernsehkamera in Abstandseinheiten umzuwandeln.
In der Anordnung ist die Position jeder Quelle von Videodaten bekannt, ohne daß auf Bildraten, Abtastraten oder
den Zeitpunkt des Beginns jeder aufeinanderfolgenden Abtastung Bezug genommen werden muß. Da Abtast-Spannungsvorläufe
nicht erforderlich sind, werden Linearitätsprobleme, die bei
analogen Systemen störend auftreten, vollständig vermieden. Die Zeitgabe ist unkritisch, da die Verarbeitung des Video
unabhängig vom Datenabfrageprozeß stattfindet. Tatsächlich ist ein voll asynchroner Betrieb leicht erreichbar und kann sogar
die bevorzugte Betriebsweise in Anwendungsfällen sein, bei denen große Variationen der Probendurchflußraten auftreten.
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Die Anordnung ist naturgegebenermaßen mit digitalen Verarbeitungstechniken
verträglich. Ausgangssignale von der Anordnung
werden mittels eines Impuls-Digital-Konverters 34 digitalisiert,
der alle Video-Impulse als digitale Wörter wiedergibt, die von der Amplitude der Impulse abhängen. Falls eine Grauskaleninformation
nicht erforderlich ist, kann die Umwandlung in der Weise vereinfacht werden, daß ein Ausgangssignal mit
zwei Zuständen abgegeben wird, wobei das Vorhandensein eines .
Partikelbildes durch eine "1" repräsentiert wird und das "V
Fehlen eines solchen Bildes durch eine "0". Zur Vereinfachung
wird die bevorzugte Ausführungsform als Anordnung mit zwei
Zuständen des Lichtwertes beschrieben. Die Anforderungen an die Speicherkapazität und die Zykluszeiten werden proportional
herabgesetzt, wenn die Grauskalenunterschiede des Bildes reduziert werden.
Die Lage jeder Video-Quelle und dementsprechend die Lage jedes
Partikels ist durch das H0"-nlH-Muster bekannt, das in dem
Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert ist, und durch die einfache Maßnahme, den Speicher 36 mit willkürlichem
Zugriff in einem zweidimensionalen Format von Spalten und Zeilen zu organisieren, dessen Ausmaß gleich dem der Anordnung
der lichtempfindlichen Dioden ist, wobei die gleiche Digital- \
schaltung, die die Spalten und Zeilen der Anordnung treibt, auch zur Lokalisierung und Speicherung der Video-Daten von
jedem Element in einer entsprechenden Speicherstelle verwendet werden kann.
In Fig. 3 sind weitere Einzelheiten der Steuerlogik 37 der Anordnung und ihre Beziehung zum Speicher 36 mit willkürlichem
Zugriff gemäß Fig. 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes dargestellt. Die zur Durchführung der Funktionen
Rechnung, statistische Analyse und Wiedergabe erforderliche
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Logik kann entweder durch fest verdrahtete spezielle Logikschaltungen
oder durch einen programmierten Spezialrechner realisiert werden. Die bevorzugte Ausführungsform wird allgemein
beschrieben, so daß sie für beide Fälle zutrifft.
Die Logikfunktionen werden durch einen Systemtaktgeber 306 getaktet
und hinsichtlich der Operationsfolge, Unterbrechungsprioritäten und Folgen von Unterfunktionen durch eine Funktions-Folge-Steuerung
307 gesteuert.
Drei getrennte, wenn auch miteinander zusammenhängende Funktionen,
Akkumulation, Analyse und Anzeige von Daten werden bei der Analyse von Partikelproben benutzt. Fünf Funktionen werden verwendet,
um das Probenströmungsmittel, die Probenkammer und das optische System innerhalb der gewünschten Betriebsbereiche des
Analysators zu halten. Es ist möglich und erwünscht, einige dieser letzteren fünf Funktionen, oder auch alle diese fünf
Funktionen, in solchen Anwendungsfällen wegzulassen, die durch
enge Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit, Partikeldichte und Partikelgröße gekennzeichnet sind. Der Vollständigkeit halber
zeigt die bevorzugte Ausführungsform alle Funktionen, die für
Anwendungsfälle mit höchsten Forderungen benötigt werden.
Es soll zunächst die Funktion der Datenakkumulation betrachtet werden. Ein Zeilenende- und Bild-Zähler 301 spricht auf Impulse
an, die die Spalten- und Zeilen-Register der Anordnung entsprechend der Auswahl jeder Einheitszellenposition in der Anordnung
32 treiben. Taktimpulsen entsprechende Impulse, die das Spalten-Schieberegister treiben, zeigen an, welche der Spaltenleitungen
zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt gewählt ist. In gleicher Weise zeigen den Taktimpulsen entsprechende Impulse des
Zeilen-Schieberegisters an, welche Zeilenleitung angewählt ist. Dadurch, daß diese Impulseingänge gezählt werden, sind das
Ende jeder Zeile und das Ende jedes Bildes bekannt, und wiederum
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ist die Komplettierung der Datenübertragung von der Anordnung
zu einem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff ebenfalls bekannt.
Da die Anzahl der Impulse vom Beginn der Abtastung die Position der Einheitszelle anzeigt, die das Video-Ausgangssignal liefert,
wird die Speicherung der Bilddaten in einem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff erleichtert. Räumliche Beziehungen zwischen
Partikeln und Partikelabmessungen werden im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert gehalten, bis eine Identifizierungsmarkierung
Jeder Datengruppe hinzugefügt worden ist, die ein Partikel repräsentiert. :
Die Synchronisierung der Lichtquelle, die erforderlich ist, wenn
stroboskopische Beleuchtung verwendet wird, wird durch einen Lichtquellen-Energieversorgungs-Trigger 303 erreicht, der auf
einen Daten-Beginn-Befehl von der Funktionsfolgesteuerung anspricht. Diese Schaltung erzeugt einen präzise gezeiteten
Impuls,, der die Stromversorgung 15 der Lichtquelle aktiviert, wodurch dafür gesorgt wird, daß die Lichtquelle 14 Licht für
,und
eine Zeitspanne/Kit einer Intensität abgibt, die entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und der Turbulenz der Probe gewählt sind.
eine Zeitspanne/Kit einer Intensität abgibt, die entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und der Turbulenz der Probe gewählt sind.
Im Anschluß an die Beendigung des Lichtimpulses signalisiert ein Diodenanordnungs-Startimpulsgenerator 304, daß neue
Daten von der Anordnung verfügbar sind, und eine Abfrage der Anordnung beginnt, wobei der Speicher 36 mit willkürlichem
Zugriff die gespeicherten Daten von der Anordnung aufnimmt und fortfährt, bis das Bildende-Signal, das am Eingang 328
empfangen wird, anzeigt, daß alle Daten von der Anordnung aufgenommen sind und im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff
gespeichert sind. Die Datenakkumulation ist damit für dieses
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Datenbild beendet, und der Analysator ist bereit, einen anderen Datensatz zu akkumulieren, indem wieder die Lichtquelle entsprechend
einem Befehl von der Funktionsfolgesteuerung 307 in Betrieb gesetzt wird.
Die Datenanalyse wird auf Grund eines Befehls von der Funktionsfolgesteuerung 307 vom Partikelmarkierungsgenerator und Statistikakkumulator
312 eingeleitet. Diese Schaltung fragt das Datenbild, das im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert
ist, ab, und teilt einer Datengruppe eine eindeutige Identifizierungsmarkierung zu, wenn eine Datengruppe detektiert wird,
die einen Partikel repräsentiert. Diese Identifizierungsmarkierung wird zusammen mit der Datengruppe im Speicher 36
mit willkürlichem Zugriff gespeichert. Wenn danach die Partikelcharakteristiken,
die durch die Datengruppe repräsentiert werden, bestimmt sind, werden sie mit der Identifizierungsmarkierung
assoziiert und ebenfalls in dem Speicher 36 mit willkürlichem
Zugriff gespeichert.
Für Jeden Partikel, der mit Markierungsidentifizierungen assoziiert
ist, sind Daten verfügbar, die den Querschnitt des Partikels repräsentieren, d.h., sein Silhouettenbild. Aus
diesen Daten können mittels digitaler Berechnung die maximalen und minimalen Sehnen des Partikels, sein Umfang, seine Fläche
und die ungefähre Form abgeleitet werden. Durch Analyse jedes Bildes auf Licht in der Mitte hin können Blasen in der Probe
detektiert und aus der Statistik eliminiert werden.
Im Grenzfall kann eine Datengruppe aus dem Ausgangssignal von
nur einer Zelle 402 der Anordnung 32 bestehen, entsprechend einem Partikelbild, das etwa die gleiche Fläche hat wie der
empfindliche Teil einer Siliziumphotodiode 406. Während diese Datengruppe zwar ausreicht, die Zählung eines Partikels zu
registrieren, enthält sie keinerlei Information hinsichtlich
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der Form des Partikels. Damit eine minimale Mustererkennung und
Formsortierung durchgeführt werden kann, muß das Bild des Partikels wenigstens drei mal drei Segmente der Anordnung 32
überlappen, wie bereits beschrieben worden ist.
Die Flächen der einzelnen Partikel werden durch einen Partikelflächenakkumulator
und Formfaktorgenerator 314 bestimmt. Die
Flächen können auf Grund der naturgegebenen Meßeigenschaften der Anordnung 32 einfach dadurch bestimmt werden, daß die
Anzahl benachbarter Einheitszellen gezählt wird und die von der Summe repräsentierten Flächen bestimmt werden, wobei der ■Vergrößerungsfaktor berücksichtigt wird, der für die Optik 26, 27,
30 und 31 gewählt worden ist.
Partikelformen werden vom Partikelflächenakkumulator und Formfaktorgenerator 314 identifiziert und in gewählte Kategorien
klassifiziert. In vielen Anwendungsfällen ist es wichtig»
nur zwei Formen zu unterscheiden, beispielsweise kann es notwendig sein, Steinfragmente von bearbeitbaren Materialien zu
unterscheiden. In solchen Fällen kann eine Histögram-Anzeige
beider Formen auf der gleichen Kathodenstrahlröhre vorgesehen werden, so daß ein schneller Vergleich der relativen Verteilung;
beider Partikeltypen ermöglicht wird.
In allen Fällen ist es erwünscht, Blasen aus der Statistik zu eliminieren. Die Mustererkennungsfähigkeit des Analysators :
sorgt für eine Möglichkeit, dieses Ergebnis ebenso zu erreichen, wie die Sortierung echter Partikel in Formen.
Mit ^eder Markierung assoziierte Daten können nach der Charakterisierung
hinsichtlich Größe oder Form dann in Bereiche hinsichtlich irgendeiner der gewählten Charakteristiken klassifiziert werden, und zwar von der Partikelgröß©n- und Typen-Klassifikationseinrichtung
und Akkumulator 316.
..*/22
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...^■^ÄiJjesS^i1
Kleine Partikel, die mit größeren Partikeln zwischen der Lichtquelle
14 und der Anordnung 32 ausgefluchtet sind, werden nicht als Datengruppe registriert, da ihre Silhouetten von den größeren
Partikeln überlappt werden. In den Situationen, in denen es wichtig ist, die Zählung kleinerer Partikel zu registrieren,
addiert der Koinzidenzkompensator 315 Zählungen zu den Zählungen kleinerer Kategorien proportional dem Verhältnis der
Fläche der größeren Partikel zur gesamten Probenfläche. Dadurch werden auf mittlerer Basis Fehler korrigiert, die auf die
beschriebene Koinzidenz zurückzuführen sind.
Die akkumulierten und klassifizierten Daten, die im Speicher mit willkürlichem Zugriff für jedes Bild gespeichert sind,
stehen für einen direkten Zugriff durch Ausleseschaltungen zur Verfügung, oder sie können weiter in einem Pufferspeicher
akkumuliert werden, zur weiteren Mittelwertsbildung und Formierung der Daten zu beispielsweise einer Histogramm-Anzeige.
Viele Anzeigetypen sind mit dem Partikelanalysator verwendbar. Die bevorzugte Ausführungsform arbeitet mit einer Kathodenstrahlröhren-Anzeige
39» weil diese leicht verändert werden kann, um unterschiedlichen Anforderungen Rechnung zu tragen, in
der Lage ist, schnellen Informationsänderungen zu folgen, und eine hohe Informationsdichte liefert. Die Wahl der Anzeigeart,
der Bereiche und der Skalenfaktoren wird in der bevorzugten Ausführungsform von einem Anzeigesteuerpult 42 vorgenommen,
das Eingänge für einen Kathodenstrahlröhren-Anzeige-Formatgenera
tor 317 aufbaut.
Die bedeutungsvollste Datenanzeige beruht vorzugsweise auf der Analyse und statistischen Akkumulation einer großen Anzahl von
Datenbildern. Sobald eine Anzahl von Bildern analysiert worden ist, ist es möglich, den Mittelwert ihrer Statistiken zu bestimmen,
und diesen Mittelwert anzuzeigen, während ein einzelnes
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Datenbild eine vollständig unrealistische Schätzung der Gesamtprobencharakteristik
geben kann. Nachdem der Mittelwert einer Anzahl von Bildern akkumuliert worden ist, können die Daten
kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht werden, entsprechend dem letzten Datenbild, indem die ältesten Daten aus
dem Pufferspeicher gelöscht werden und durch Daten vom neuesten Datenbild ersetzt werden. Da jedes Mal, wenn Daten aufgefrischt
werden, ein Datenbild addiert und ein Bild subtrahiert wird, repräsentieren die angezeigten Daten immer die akkumulierten
und gemittelten Daten der gleichen Anzahl von Bildern, so daß die statistische Fluktuation geglättet wird, die von Bild zu
Bild auftritt.
Eine brauchbare Organisation der Anzeige ist in Fig. 5 dargestellt.
Die vertikale Achse 501 repräsentiert die Menge und die horizontale Achse 502 die Partikelgröße. Da der Prozeß
kontinuierlich ist, ist die vertikale Achse nicht als Gesamtmenge angezeigt, sondern als Menge pro Zeiteinheit. In der als
Beispiel gewählten Anordnung ist es wichtig zu wissen, wann die Partikelgrößen auf eine bestimmte Größe oder kleiner
reduziert worden sind. Bei der Erzaufbereitung werden Partikel entsprechend ihrer Möglichkeit charakterisiert, durch ein Sieb
mit bestimmten Abmessungen hindurchzutreten. Die unterbrochene vertikale Linie 503 repräsentiert eine spezielle Siebgröße. Alle
Partikel, die durch Daten links von dieser Linie repräsentiert sind, gehen durch ein solches Sieb hindurch, während alle
Partikel, die durch Daten rechts von dieser Linie repräsentiert sind, nicht hindurchgehen. Eine einfache arithmetische Rechnung
auf der Basis der gespeicherten Daten kann dazu verwendet werden, den Prozentsatz zu berechnen, der von dem Sieb zurückgehalten
wird, und den, der durch das Sieb hindurchgeht. Diese Information wird im Bereich 504 angezeigt.
Daten, die auf Eingängen von den Durchflußmessern und dem Densitometer
basieren, können dazu verwendet werden, andere Statistiken
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zu berechnen, wie Dichte und Gewichtsprozentsatz an Festkörpern. Numerische Berechnungen dieser Statistiken werden mit einem
Datenanzeigeskalierer 318 durchgeführt. Die Aufnahme der Durchflußraten- und Dichte-Daten wird durch eine Multiplexsteuerung
und Hilfsdatenakkumulator-Anordnung 323 durchgeführt.
In vielen Anwendungsfällen kann der Analysator befriedigend unter Verwendung von Probendurchflußraten arbeiten, die durch
den Ursprung des Probenströmungsmittels bestimmt sind. In einigen Anwendungsfällen ist es jedoch notwendig, die Probendurchflußraten
in einen Bereich zu bringen, den der Analysator verwerten kann. Die Probengeschwindigkeiten werden mit einem Durchflußmesser
10 bestimmt, dessen Ausgangssignal von einem Multiplexer und Analog-Digital-Konverter 33 aufgenommen und in
Digitaldaten umgewandelt wird. Die Digitaldaten werden mit
vorgegebenen Grenzwerten verglichen, die im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert sind, und wenn sie außerhalb
dieser Grenzen liegen, werden ein Ventil 23 und eine Pumpe nachgestellt, um die Probengeschwindigkeit zu erniedrigen oder
zu erhöhen, Je nach Erfordernis.
In einigen Anwendungsfällen wird die Probenturbulenz so hoch, daß die lichtempfindliche Anordnung wenig oder kein Licht erhält,
so daß der Analysator nicht mehr in der Lage ist, zwischen Partikeln zu unterscheiden. Die bevorzugte Ausführungsform
arbeitet mit einer Helligkeitssteuerungsschleife, die die Lichtquellenintensität
über Steuereingang 41 steuert, einer Verdünnungssteuerungspumpe 21 und einem Verdünnungssteuerungsventil
20, die dazu verwendet werden, die Bildhelligkeit in akzeptable Grenzen zu bringen. Ein quantitatives Maß für die
Probenturbulenz wird dadurch verfügbar, daß die Intensität des durch die Probe durchgelassenen Lichts mit der der Lichtquelle
selbst verglichen wird, wie es durch den Lichtleiter 42 zum optischen System übertragen wird.
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Eine Probenverdünnungssteuerung 309 spricht auf Bildhelligkeitsdaten
von der Anordnung an. Wenn die Helligkeit innerhalb eines akzeptablen Bereiches ist, werden weder die Helligkeit noch die
Verdünnung nachgestellt. Wenn die Helligkeit in der Bildebene jedoch unter dem normalen Wert liegt, stellt sich die Steuerung
auf diesen Unter-Normal-Zustand dadurch ein, daß sie zunächst
bestimmt, ob eine Erhöhung der Helligkeit möglich ist. Wenn die Lichtquelle mit maximaler Ausgangsleistung arbeitet und
keine weitere Steigerung erreicht werden kann, stellt die Steuerung die Verdünnung nach, bis die Probenturbulenz niedrig
genug ist, um ein Bild akzeptabler Helligkeit zu liefern. Wenn keines dieser Ergebnisse erreicht wird, wird ein Alarm aktiviert,
der das Bedienungspersonal davon in Kenntnis setzt, daß die Probenbedingungen sich außerhalb des Bereiches des
Analysators befinden.
Je nach der Zusammensetzung des Probenströmungsmittels kann die Probenkammer unter Ablagerungen von Material leiden, die die
Schärfe und den Kontrast des Bildes reduzieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Probenkammer-Säuberungs-Folgesteuerung
310 vorgesehen, die den Bildkontrast und die Schärfe dadurch bestimmt, daß die Abruptheit der Änderung der Bildintensitäten
an der Kante des Bildes bewertet wird. Das Fehlen von Kontrast und Schärfe wird, wenn es vorhanden ist, festgestellt,
und eine Probenkammer-Säuberungsroutine eingeleitet. Ein Ventil 17 und eine Pumpe 18 liefern Säuberungs-Strömungsmittel
durch den Säuberungs-Strömungsmittel-Einlaß, und dieses entfernt Ansammlungen aus der Probenkammer. Während dieses Vorganges
werden keine Daten vom Analysator aufgezeichnet. Nach Beendigung der Säuberungsroutine wird eine Datenakkumulation
wieder eingeleitet. Wenn die Säuberung nicht ausgereicht hat, um die Ansammlungen zu entfernen, wird ein Alarm aktiviert, der
das Bedienungspersonal davon in Kenntnis setzt, das sich die Probenkammer-Bedingungen unter dem akzeptablen Minimum befinden.
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Das Verhältnis von Partikelgrößen, die unter Verwendung der beschriebenen Anordnung genau analysiert werden können, beträgt
etwa 100 : 1. Im Prinzip kann die Erfindung dadurch ausgeführt werden, daß größere Anordnungen mit einer größeren Anzahl
von Elementen verwendet werden, praktische Überlegungen machen jedoch eine Ausdehnung des minimalen und maximalen Partikel- größenbereiches
durch Änderung der optischen Elemente wünschenswerter. Dementsprechend wird in der bevorzugten Ausführungsform
ein optisches System 26, 29, 30 und 31 mit variabler Vergrößerung verwendet, das mit einem Vorgelege 28 einstellbar mit einem
Schrittmotor 29 verbunden ist, der auf den Ausgang der Steuerung 328 für das optische System anspricht. Die im Speicher 36 mit
willkürlichem Zugriff gespeicherten Bilddaten werden hinsichtlich ihrer Fähigkeit analysiert, Netzlinien aufzulösen, die auf die
Wände der Probenkammer geritzt sind. Die Abmessungen des Gitterlinienbildes, wie es auf die Anordnung projiziert wird, werden
mit den gewählten Grenzen der Partikelgröße verglichen, denen der Analysator Rechnung tragen soll. Wenn die Netzabmessungen
anzeigen, daß eine ausreichende Vergrößerung verfügbar ist, um eine Auflösung der kleinsten Partikelgrößen zu erreichen,
die analysiert werden sollen, erfolgt keine Änderung. Wenn jedoch die Bildgröße des kleinsten Partikels unter das für die
Analyse erforderliche Minimum fallen würde, aktiviert die Steuerung für das optische System den Schrittmotor 29» so daß
eine entsprechende Nachstellung der Vergrößerung erfolgt. Ein ähnlicher Vorgang wird verwendet, wenn die größte Partikelgröße,
die analysiert werden kann, der entscheidende Gesichtspunkt ist.
Es ist zwar eine spezielle Ausführungsform beschrieben worden, selbstverständlich können viele Variationen des Partikelanalysators
innerhalb des Erfindungsgedankens ausgeführt werden.
Eine bewegungslose Probe kann beispielsweise für gewisse Laboranwendungen erwünscht sein, und eine fast grenzenlose Variation
der verwendeten Anzeigearten ist möglich.
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Claims (8)
- R14 Pl DPatentansprüche/jÜ Anordnung zum Bestimmen ausgewählter körperlicher Eigenschaften von Partikeln in einer Probe mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Probe und einem optischen System, mit dem ein Bild der beleuchteten Probe in einer Brennebene erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von lichtempfindlichen elektronischen Elementen in einer Anordnung mit bekannten und festen Abständen zwischen den Elementen angeordnet sind, wobei . jedes Element in der Brennebene des optischen Systems angeordnet ist, eine Abfrageeinrichtung, mit der individuell der Beleuchtungspegel bestimmt wird, der auf jedes lichtempfindliche elektronische Element auffällt und ein elektrischer Ausgangsstrom analog dem Beleuchtungswert erzeugt wird, eine Quantisierungseinrichtung, die Jeden analogen Ausgang von der Abfrageeinrichtung aufnimmt und . jeden analogen Ausgang in digitale Daten umwandelt, die den Beleuchtungspegel repräsentieren, der auf jedes Element der Anordnung auftrifft, eine Speichereinrichtung, mit der die digitalen Daten aufgenommen und wieder auffindbar gespeichert werden, eine digitale Recheneinrichtung, die mit der Speichereinrichtung zusammenwirkt, um digitale Daten so zu verarbeiten, daß die gewählten körperlichen Charakteristiken bestimmt werden, und eine Ableseeinrichtung, die den Ausgang der digitalen Recheneinrichtung aufnimmt und den Ausgang zur Weiterleitung an eine Anzeige oder Steuerung verarbeitet, vorgesehen sind..../A2609829/0752
- 2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Bestimmen der gewählten physikalischen Charakteristiken von Partikeln, die in einem strömenden Medium enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probenkammer mit wenigstens einer transparenten Seite und einem Einlaß und einem Auslaß vorgesehen ist, und eine Einrichtung, mit der eine Probe des Partikel enthaltenden strömenden Mediums bekannter Verdünnung und bekannter Durchflußrate durch die Einlaßöffnung in die Probenkammer eingelassen und aus dem Auslaß aus der Probenkammer entfernt wird.
- 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet t daß das optische System eine Optik mit variabler Vergrößerung und fester Brennweite ist.
- 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle monochromatisch ist.
- 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch. gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist.
- 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Recheneinrichtung derart ausgelegt ist, daß die digitalen Daten in der Weise verarbeitet werden, daß die Gesamtanzahl der Partikel, die Anzahl der Partikel in einem spezifizierten Größenbereich, die Anzahl von Partikeln einer spezifizierten Form und die Anzahl von Partikeln spezifizierter Größe und Form pro Volumeneinheit der Probe bestimmt werden.
- 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet t daß eine Kathodenstrahlröhren-Anzeige in Form eines Histogranms vorgesehen ist, das kontinuierlich.../A36098 2 9/0752entsprechend der Ausleseeinrichtung revidiert wird, um
in Echtzeit die relative Verteilung von Partikeln in
spezifizierten Größenbereichen zu zeigen. - 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, daß eine Lichtquellensteuerung vorgesehen ist, die an Bedingungen der Probenturbulenz anpaßbar ist, um Beleuchtungspegel zu erreichen, die ausreichen, um von den lichtempfindlichen elektronischen Elementen detektiert zu werden.609829/0752Le e rs e 11 e
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