DE3851176T2

DE3851176T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung von Teilchen.

Info

Publication number: DE3851176T2
Application number: DE3851176T
Authority: DE
Inventors: Ekhard Preikschat; Fritz K Preikschat
Original assignee: Individual
Current assignee: LASER SENSOR TECHNOLOGY Inc REDMOND WASH US
Priority date: 1987-04-27
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2008-04-21
Also published as: EP0289200A2; DE3851176D1; EP0289200A3; EP0289200B2; EP0289200B1; DE3851176T3; ATE110467T1

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilweiterbehandlung ("continuationin-part") der laufenden US-Nr. 043,223, welche am 27. August 1987 eingereicht wurde und dann wieder eine Teilweiterbehandlung der laufenden US-Nr. 821,781 ist, die am 23. Januar 1986 eingereicht wurde.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren der Größe und Anzahl von Partikeln in einem fluiden Medium.

Hintergrund der Erfindung

Es existieren viele Anwendungen in Industrie und Forschung, bei welchen es erforderlich ist, die Größe und Anzahl von in einem fluiden (d. h. flüssigen oder gasförmigen) Medium suspendierten Partikeln zu bestimmen. Diese Bestimmungen können in vielen Herstellungsverfahren wie bspw. von Pharmazeutika, Kunststoffen, Chemikalien und Papier, um nur einige wenige Beispiele zu nennen, sehr wichtig sein. Prozesse wie bspw. das Kristallwachstum, die Präzipitation, die Polymerisation, die gravimetrische Separation, das Feinzerkleinern usw. müssen überwacht werden, um die Qualität des Produkts zu steuern.
Die Partikel in einem Schlamm können sich hinsichtlich ihrer Größe von dem Submikron- bis in den Millimeterbereich erstrecken, und die relativen Mengen der unterschiedlichen Größen können hinsichtlich der Qualität und Funktion des Produkts sehr kritisch sein. Bspw. kann eine Stoffsuspension Fasern enthalten, die etwa 10-40 um groß sind, sowie Aufheller und Füllpartikel (Ton), die meistens einen Durchmesser von weniger als 4 um aufweisen. Die Größe von Kohlenstaub beeinflußt die Geschwindigkeit, mit welcher er brennt. Die Pulver in Pillen und Kapseln müssen auf bestimmte Größen zerkleinert werden, um Arzneimittel mit optimalen Geschwindigkeiten in den menschlichen Körper abzugeben.
Idealerweise sollten die Partikelmessungen on-line durchgeführt werden, um eine Echtzeitinformation für die Prozeßsteuerung bereitzustellen und eine Verzerrung der Partikelgrößeninformation durch Entfernung von Proben aus dem Prozeß zu vermeiden.
In der Vergangenheit sind mehrere unterschiedliche Technologien zur Analyse der Partikelgröße entwickelt worden, welche konventionelle oder Laser-Lichtquellen, Ultraschallstrahlen, Kathodenstrahlröhren und die Stokessche Formel der Sedimentationsgeschwindigkeiten verwenden. Die optischen Vorrichtungen, die heutzutage existieren, verwenden Transmissionsgeometrien und benutzen verschiedene Verfahren, um eine Größe zu bestimmen. Das Verfahren, das bei den meisten kommerziell erhältlichen Instrumenten verwendet wird, mißt die bei verschiedenen kleinen, vorwärts gerichteten Winkeln gestreute Lichtintensität (bspw. Fraunhofersche Beugungsmuster), um die Partikelgröße zu bestimmen. Ein weiteres Verfahren verwendet einen quer durch eine kleine Kammer gescannten Lichtstrahl, durch welche das fluide Medium zu fließen gezwungen wird. An der gegenüberliegenden Seite des Flusses ist ein Detektor positioniert, so daß Partikel Unterbrechungen des durch den Detektor (Staffin, US-Patent Nr. 3,676,647 und Ogle, US-Patent Nr. 3,858,851) empfangenen Lichts verursachen. Die Zeitdauer, die der Strahl unterbrochen ist, wird als ein Maß der Größe des Partikels verwendet. Eine Variation hinsichtlich dieses Verfahrens sind Vorrichtungen, die die Partikel mit einer bekannten Geschwindigkeit durch eine Probenkammer steuern und den Strahl stationär halten (Eisert, US-Patent Nr. 4,110,043).
Der Hauptgrund für die Verwendung der Transmissionsgeometrie besteht darin, daß das durch Partikel in der Vorwärtsrichtung (d. h. weniger als 90º von der ursprünglichen Richtung des Lichtstrahls aus) gestreute Licht bis zu zehntausendmal intensiver als das in der Rückwärtsrichtung gestreute Licht ist. Die Beschränkung der Transmissionssysteme besteht darin, daß die Partikelkonzentration in dem Medium sehr niedrig (weniger als 0,01 Volumenprozent) sein muß, um dein Licht zu ermöglichen, durch das fluide Medium hindurchzutreten, durch ein Partikel gestreut zu werden und dann weiter durch das Medium hindurchzutreten, um detektiert zu werden. Offensichtlich ist die Verwendung solcher Verfahren bei normalen Prozeßkonzentrationen, die gewöhnlich viel größer als ein Prozent sind, unmöglich. Versuche, solche Vorrichtungen on-line zu verwenden, müssen Probensysteme involvieren, die anfällig für ein Verstopfen sind, und Verdünnungssysteme, die Fehler durch ein Verändern der Zusammensetzung der Probe verursachen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Betrag an durch ein fluides Medium gestreutem Licht hängt von mehreren Parametern ab: Die Anzahl an in dein Medium suspendierten Partikeln, der Brechungsindex sowohl der Partikel als auch des fluiden Mediums, die Größe und Form der Partikel und die Trübung und Farbe des Mediums. Mit einem unfokussierten Lichtstrahl kann man nur die Gesamtsumme all dieser Effekte messen, d. h., wenn man nur einen Parameter messen will, bspw. die Partikelgröße, muß man annehmen, daß alle anderen Parameter konstant bleiben. In dieser Hinsicht sind Vorrichtungen, die die Partikelgröße auf einer makroskopischen Basis durch Beleuchten einer großen Fläche messen (Kreikebaum, US-Patent Nr. 4,140,395), um die integrierte Streuung von einer Suspension aus Partikeln zu bestimmen, direkt von der Trübung und Schwärzung abhängig. Solche Vorrichtungen können daher nur die mittlere Partikelgröße messen, und nur, wenn die anderen Variablen konstant bleiben.
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Technik zum Analysieren individueller Partikel auf einer mikroskopischen Basis bereit, die in einem fluiden Medium suspendiert sind. Der Ausdruck "Partikel", wie er hierin verwendet wird, umfaßt zellenförmige Partikel wie bspw. Bakterien und schließt im allgemeinen jedes Material ein, das optische Eigenschaften aufweist, die von denen des suspendierenden fluiden Mediums unterschiedlich sind. Die Technik der vorliegenden Erfindung basiert auf der Rückstreuung von Licht durch die Partikel und erfordert nicht, daß das fluide Medium durch eine Probenkammer fließt. In Anbetracht gegenwärtig verfügbarer optischer Technologie ist die Technik der vorliegenden Erfindung in der Lage, Partikel zu detektieren, die im Durchmesser so klein wie 0,5 um sind.
Es ist wichtig, zu bemerken, daß das Rückstreuverfahren aufgrund der extrem kleinen Beträge an durch individuelle Partikel rückgestreutem Licht (bis zu zehntausendmal weniger als bei vorwärts gerichteten Winkeln) niemals zuvor verwendet worden ist, um die Partikelgröße individueller Partikel zu messen. Nur durch die Verwendung eines fokussierten Strahls kann die Größe individueller Partikel mit rückgestreutem (Streuwinkel größer als 90º) Licht gemessen werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß wenn die gesamte Leistung der Lichtquelle auf einen beugungsbegrenzten Brennpunkt konzentriert ist, welcher eine den kleinsten zu messenden Partikeln vergleichbare Größe aufweist (etwa 1 um), dann selbst durch Partikel in Mikrometergröße genügend Licht rückgestreut werden kann, um durch ein empfindliches Hochgeschwindigkeits-Detektionssystem gemessen zu werden. Die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, die Größe individueller Partikel bei normalen Prozeßkonzentrationen durch eine einzelne optische Zugangsöffnung zu messen, beseitigt die Beschränkungen der zuvor genannten Vorrichtungen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Das Beleuchtungsmittel umfaßt eine optische Quelle und ein optisches System zum Empfangen von Licht aus der optischen Quelle und zum Fokussieren des Lichts in einen Brennpunkt in dem fluiden Medium. Der Photodetektor detektiert Licht aus dem Beleuchtungsmittel, welches durch Partikel in dem Brennpunkt rückgestreut wird, und erzeugt ein korrespondierendes elektrisches Signal. Das Detektionsmittel empfängt das elektrische Signal und stellt eine zu der Anzahl an Partikeln in dem fluiden Medium korrespondierende Angabe bereit.
Die optische Quelle umfaßt vorzugsweise eine Laserdiode, und das optische System fokussiert das Licht aus der Laserdiode derart, daß die Größe des Brennpunkts etwa gleich der Größe des lichtemittierenden Bereichs der Laserdiode ist. Das Photodetektormittel stellt eine Reihe von Pulsen bereit, die jeweils mit in dem Brennpunkt positionierten Partikeln verbunden sind, und das Detektionsmittel umfaßt Mittel zum Zählen solcher Pulse und Mittel zum Verhindern des Zählens eines Pulses, der eine Anstiegszeit oberhalb einer vorbestimmten Schwelle aufweist. Mittels einer solchen Anstiegszeitdiskriminierung zählt das System keine Partikel, die nicht in dem Brennpunkt sind. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls einen Körper umfassen, an welchem das Beleuchtungsmittel angebracht ist. Vorzugsweise positioniert das Beleuchtungsmittel den Brennpunkt außerhalb des Körpers und angrenzend an das Fenster und umfaßt Mittel zum Variieren der Position des Brennpunkts in einer zu dem Fenster parallelen Richtung. Das Detektionsmittel kann ein Mittel zum Erzeugen eines integrierten Amplitudensignals aufweisen, das eine zu dem Mittelwert des elektrischen Signals korrespondierende Größe aufweist, und das Beleuchtungsmittel kann ein Mittel zum Einstellen der Distanz zwischen dem Brennpunkt und dem Fenster aufweisen, so daß das integrierte Amplitudensignal an einem Maximum ist.
In einer bevorzugten Ausführung umfaßt die Vorrichtung einen Fühler, der völlig ohne elektrische Komponenten verwirklicht sein kann, um dadurch einen eigensicheren Fühler bereitzustellen, der besonders zur Verwendung in explosiven oder rauhen Umgebungen geeignet ist. In dieser Ausführung umfaßt das Beleuchtungsmittel ein Einmodenlichtleitfaserkabel mit ersten und zweiten Enden, eine Laserdiode und ein Mittel zum Koppeln von Licht aus der Laserdiode in das erste Ende des Einmodenkabels. Das optische System ist zum Empfangen von Licht aus dem zweiten Ende des Einmodenkabels angeordnet. Durch Partikel in dem Brennpunkt rückgestreutes Licht kann von dem Fühler mittels eines Lichtleitfaserkabels zur Rückleitung zurückgeführt werden, und ein pneumatisches Mittel kann vorgesehen werden, um den Brennpunkt dazu zu veranlassen, in dem fluiden Medium zu oszillieren. Für diese Ausführung kann ebenfalls ein Mittel zum Synchronisieren des Detektionsmittels mit der Oszillation des Brennpunkts bereitgestellt werden. Ein Mehrwellenlängen-System zum Charakterisieren individueller Partikel ist ebenfalls offenbart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung für eine On-line-Partikelmessung;
Fig. 2 ist ein Querschnitt des optischen Aufbaus des Fühlers aus Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2;
Fig. 4 ist eine elektrische Prinzipskizze des Vibrationssystems;
Fig. 5 ist eine Graphik des Strahls und des Brennpunkts;
Fig. 6 ist ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 aus Fig 5;
Fig. 7 ist ein Schaltplan des Vorverstärkers;
Fig. 8 ist ein Schaltplan des Detektions- und Zählkreises;
Fig. 9 ist ein zu dem Schaltkreis aus Fig. 8 korrespondierendes Signaldiagramm;
Fig. 10 ist ein zu dem Schaltkreis aus Fig. 8 korrespondierendes Logikdiagramm;
Fig. 11 illustriert die Verwendung eines nicht scannenden Fühlers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm eines integrierten Pulsamplitudenkreises;
Fig. 13 illustriert die Verwendung eines gewöhnlichen Lichtwegs für die Beleuchtung und das rückgestreute Licht;
Fig. 14 ist ein Querschnitt entlang der Linie 14-14 in Fig. 13, wobei die Verwendung eines Detektors in Targetform zum gleichzeitigen Messen von rückgestreutem Licht aus dem Brennpunkt und dem Halo illustriert ist;
Fig. 15 ist ein Systemdiagramm eines eigensicheren Partikelanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 ist eine Prinzipskizze, teilweise geschnitten, eines Bereichs des Fühlers aus Fig. 15;
Fig. 17 ist ein zweiter partieller Querschnitt der Ausführung aus Fig. 15 und
Fig. 18 ist ein Diagramm eines Zwei-Wellenlängen-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung sind bspw. durch einen in Fig. 1 gezeigten Fühler 10 offenbart. Der Fühler 10 ist dazu angepaßt, die Größen und Anzahlen von in einem fluiden (bspw. flüssigen oder gasförmigen) Medium 12 suspendierten Partikeln zu analysieren. Der Fühler 10 umfaßt ein zylinderförmiges Rohr 20, das ein vorderes Ende 22 und ein hinteres Ende 24 aufweist. Das vordere Ende 22 umfaßt eine Vorderwand 26 und einen Fensterträger 28, in welchem ein Fenster 30 zentral angebracht ist. Der Fensterträger ist in die Vorderwand 26 eingeschraubt, und ein O-Ring 32 verhindert eine Leckage des fluiden Mediums in das Innere des Fühlers. Das Fenster ermöglicht dem Licht, zwischen dem Inneren des Rohrs 20 und dem fluiden Medium 12 zu verlaufen. Für den gewöhnlichen Fall, in welchem das fluide Medium an dem Fühler vorbeifließt, ist der Fühler vorzugsweise derart angeordnet, daß das Fenster 30 in einem leichten Winkel zu der Flußrichtung (durch einen Pfeil 16 angedeutet) orientiert ist, eine Anordnung, die dazu beiträgt, das Fenster 30 sauber und frei von sich anhäufender Ablagerung zu halten. Als Alternative kann das vordere Ende 22 einschließlich des Fensters 30 bezüglich der Längsachse des Fühlers 10 geneigt sein. In einer bevorzugten Ausführung umfaßt das Fenster 30 synthetischen Saphir, und der Fensterträger 28 umfaßt Titan. Die Vorteile von Saphir sind seine Härte, Abriebfestigkeit und sein geringer Lichtverlust im Infraroten. Der Vorteil von Titan besteht darin, daß es hoch korrosionsfest ist und über einen weiten Bereich von pH-Niveaus verwendet werden kann. Jedoch der wichtigste, sich aus der Kombination von Saphir und Titan ergebende Vorteil besteht darin, daß der Temperaturkoeffizient von synthetischem Saphir (8 Teile pro Million pro Grad Zentigrad) sehr nahe bei dem von Titan (8,5 Teile pro Million pro Grad Zentigrad) liegt. Daher kann die Kombination aus Fenster/Träger über einen weiten Temperaturbereich erwärmt werden, ohne das Fenster zu zersplittern.
Eingeschlossen innerhalb des Rohrs 20 sind ein optischer Aufbau 50, ein Elektronikpaket 52, ein Wärmerohr 54 und ein isolierendes inneres Rohr 56. Das innere Rohr 56 ist angrenzend an die Innenwandung des Rohrs 20 angeordnet und ist in Längsrichtung mittels des hinteren Endes 24 und Federn 62 an dem vorderen Ende 22 des Rohrs befestigt. Das innere Rohr dient zum thermischen Isolieren des optischen Aufbaus und des Elektronikpakets bei denjenigen Anwendungen, bei welchen die zylinderförmigen Seitenwandungen des Montagerohrs 20 in das fluide Medium eingeführt sind. Der optische Aufbau 50 ist innerhalb des Rohrs 20 und angrenzend an das Fenster 30 mittels einer Lagerschiene 78 angebracht, die dem optischen Aufbau ermöglicht, entlang der longitudinalen Fühlerachse mittels eines Schrittmotors 80 und eines Positionierers 76 bewegt zu werden. Der optische Aufbau erzeugt einen Lichtstrahl 82 und fokussiert den Lichtstrahl in einen Brennpunkt 84, der gleich außerhalb des Fensters 30 angeordnet ist. Wie in größerem Detail unten beschrieben, weist der optische Aufbau ebenfalls Mittel zum Veranlassen des Brennpunkts 84, parallel zu dem Fenster 30 zu vibrieren, und Mittel zum Detektieren von durch in dem Volumen des fluiden Mediums 12 in dem Brennpunkt suspendierte Partikel rückgestreutem Licht auf.
Das Wärmerohr 54 erstreckt sich rückwärts von dem optischen Aufbau zu dem hinteren Ende 24 des Rohrs 20. Das Wärmerohr führt überschüssige Wärme von dem optischen Aufbau ab. Das Elektronikpaket 52 ist mittels geeigneter elektrischer Leiter (nicht gezeigt) mit dem optischen Aufbau und einem Koaxialkabel 86 verbunden, das sich von dem hinteren Ende 24 aus erstreckt. Das Koaxialkabel 86 dient dazu, den Fühler 10 mit einem geeigneten Detektionskreis, wie unten beschrieben, zu verbinden.
Es ist zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die in Fig. 1 gezeigte spezielle Anordnung beschränkt ist. Beispielsweise kann der Fühler für einige Anwendungen innerhalb des fluiden Mediums enthalten sein. Bei anderen Anwendungen kann der optische Aufbau angrenzend an einen Glasbehälter oder eine Leitung angeordnet sein, welcher das fluide Medium enthält oder durch welche das fluide Medium entweder stationär oder bewegt wird, um einen kreisförmigen Fluß zu erzeugen. Diese Vielseitigkeit ist ein merklicher Vorteil der vorliegenden Erfindung und ist zu einem wesentlichen Teil auf die Tatsache zurückzuführen, daß die vorliegende Erfindung lieber ein Rückstreu- als ein Transmissions-Detektionsverfahren verwendet und nicht fordert, daß das fluide Medium durch eine Probenkammer fließt.
Eine bevorzugte Ausführung des optischen Aufbaus 50 ist in größerem Detail in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der optische Aufbau umfaßt eine Laserdiode 100, ein Linsensystem 102, eine Linse 104 und Photodetektoren 106 und 108. Die Laserdiode 100, die Linse 104 und die Photodetektoren 106 und 108 sind in einem Block 110 aus Aluminium gehalten. Wie vollständiger unten beschrieben, ist das Linsensystem 102 durch einen Vibrationsaufbau 112 gehalten. Der Block 110 weist Durchgänge 116 und 118 auf, durch welche durch die Linse 104 hindurchtretendes Licht die Photodetektoren 106 und 108 erreichen kann. Beim Betrieb des Systems emittiert die Laserdiode 100 einen Strahl 120, der durch das Linsensystem 102 fokussiert wird, um den in den Brennpunkt 84 fokussierten Strahl 82 zu erzeugen. Partikel in dem fluiden Medium 12 in dem Brennpunkt 84 streuen etwas Licht des Strahls 82 zurück, und bin Teil des rückgestreuten Lichts wird durch die Linse 104 gesammelt und an dem Photodetektor 106 fokussiert. Der Photodetektor 108 ist ein optisches Element des optischen Aufbaus und kann enthalten sein, um das Niveau des Umgebungslichts in dem fluiden Medium 12 (über die Linse 104) abseits von dem Brennpunkt 84 zu detektieren. Die Linse 104 ist ebenfalls ein optisches Element und kann weggelassen werden, wenn der Photodetektor 106 empfindlich genug ist, um aus dem Brennpunkt 84 gestreutes unfokussiertes Licht zu detektieren.
Die Laserdiode 100 erzeugt den monochromatischen Strahl 120, der von einem abstrahlenden Bereich 140 der Laserdiode erzeugt ist. Der optische Aufbau umfaßt eine Laserdiode 100, ein Linsensystem 102, eine Linse 104 und Photodetektoren 106 und 108. Die Laserdiode 100, die Linse 104 und die Photodetektoren 106 und 108 sind in dem Block 110 aus Aluminium gehalten. Wie vollständiger unten beschrieben, ist das Linsensystem 102 durch den Vibrationsaufbau 112 gehalten. Der Block 110 weist die Durchgänge 116 und 118 auf, durch welche durch die Linse 104 hindurchtretendes Licht die Photodetektoren 106 und 108 erreichen kann. Beim Betrieb des Systems emittiert die Laserdiode 100 den Strahl 120, der durch das Linsensystem 102 fokussiert wird, um den in den Brennpunkt 84 fokussierten Strahl 82 zu erzeugen. Partikel in dem fluiden Medium 12 in dem Brennpunkt 84 streuen etwas Licht des Strahls 82 zurück, und ein Teil des rückgestreuten Lichts wird durch die Linse 104 gesammelt und an dem Photodetektor 106 fokussiert. Der Photodetektor 108 ist ein optisches Element des optischen Aufbaus und kann enthalten sein, um das Niveau des Umgebungslichts in dem fluiden Medium 12 (über die Linse 104) abseits von dem Brennpunkt 84 zu detektieren. Die Linse 104 ist ebenfalls ein optionales Element und kann weggelassen werden, wenn der Photodetektor 106 empfindlich genug ist, um aus dem Brennpunkt 84 gestreutes unfokussiertes Licht zu detektieren.
Die Laserdiode 100 erzeugt den monochromatischen Strahl 120, der von dem abstrahlenden Bereich 140 der Laserdiode erzeugt ist. Typische Dimensionen für den abstrahlenden Bereich 140 bei gegenwärtig erhältlichen Laserdioden sind 0,7 bis 2,0 um. Eine geeignete Komponente für die Laserdiode 100 ist die Typ ML 4102-Laserdiode, welche von Mitsubishi erhältlich ist. Diese sehr kleinen Dimensionen werden bei der vorliegenden Erfindung dazu ausgenutzt, ein Linsensystem 102 bereitzustellen, das den Strahl 120 in einen Brennpunkt 84 mit den Dimensionen des abstrahlenden Bereichs 140 vergleichbaren Dimensionen ohne die Verwendung eines räumlichen Filters oder einer komplexen Optik fokussiert. Um ein solches Fokussieren vorzusehen, ist das Linsensystem 102 in einem Abstand von 2f von dem abstrahlenden Bereich 140 angeordnet, worin f die Brennweite des Linsensystems 102 ist. Diese Anordnung erzeugt ein Bild des abstrahlenden Bereichs in dem Brennpunkt 84 in einem Abstand von 2f von dem Linsensystem. Das Linsensystem 120 ist vorzugsweise ein wie in den Fig. 1-3 gezeigtes Tripletlinsensystem, um geometrische Aberrationen in dem Strahl 82 zu beseitigen. Da der Strahl 120 monochromatisch ist, ist die chromatische Aberration kein Faktor. In einer bevorzugten Ausführung hat das Linsensystem 102 eine Brennweite von 7,5 mm, und das Linsensystem ist 15 mm weg von dem abstrahlenden Bereich 140 angeordnet, wobei es folglich einen Brennpunkt 84 erzeugt, der mit einem Abstand von 15 mm von dem Linsensystem 102 angeordnet ist. Die Position des Brennpunkts 84 bezüglich des Fensters 30 ist unten im Detail diskutiert.
Die Laserdiode 100 und der Block 110 sind an einer Basis 130 und einem Kunststoffblock 134 angebracht. Wenn die Umgebungsbedingungen es erfordern, kann ein thermoelektrisches Kühlelement 132 zwischen dem Block 110 und der Basis 130 verwendet werden, um zwischen diesen Elementen einen Temperaturgradienten zu erzeugen, um die Laserdiode bei einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten. Die Basis 130 befindet sich in thermischem Kontakt mit dem Wärmerohr 54, um Wärme von dem optischen Aufbau abzuführen. Die Basis ist an dem bewegbaren Teil der Lagerschiene 78 angebracht, welche dann wieder an dem Positionierer 76 befestigt ist. Der fixierte Teil der Lagerschiene 78 ist an dem inneren Rohr 56 angebracht. Die Lagerschiene, der Positionierer und der Schrittmotor stellen Mittel zum Einstellen des Abstands zwischen dem Fenster 30 und dem Brennpunkt 84 bereit. Der Block 134 ist an der Basis 130 angebracht und stellt eine Halterung und eine Isolation gegen Übertragung von Erschütterungen für den Vibrationsaufbau 112 bereit. Der Durchgang 136 ist für elektrische Verbindungen zu der Laserdiode 100 vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführung hat die Linse 104 eine Brennweite von 8 mm und einen Durchmesser von 10 mm. Die Linse fokussiert das durch Partikel in dem Brennpunkt 84 gestreute Licht auf den Photodetektor 106, der mit einem Abstand von 2f (16 mm) hinter der Linse 104 angebracht ist. Der Photodetektor 106 weist einen großen empfindlichen Bereich (2,5 mm im Durchmesser) auf, so daß der Photodetektor selbst dann von dem Brennpunkt 84 gestreutes Licht einfängt, wenn der Brennpunkt über eine Distanz von mehreren Millimetern gescannt wird. Die Orientierung der Linse 104 und des Photodetektors 106 gewährleistet, daß von dem Fenster 30 reflektiertes Licht nicht durch den Photodetektor empfangen wird.
Der Vibrationsaufbau 112 umfaßt einen Träger 142 aus weichem unlegiertem Stahl, eine Spule 144 und eine Blattfeder 146. Der gesamte Vibrationsaufbau ist an dem Block 134 angebracht. Die Erregung der Spule 144 durch ein geeignetes Wechselstromsignal veranlaßt die Blattfeder 146 und das angefügte Linsensystem 102, in einer in Fig. 2 nach oben und unten verlaufenden Richtung zu und von der Spule 144 weg zu vibrieren. Diese Vibration veranlaßt den Brennpunkt 84, parallel zu dem Fenster 30 in einer in Fig. 3 in und aus der Zeichnung heraus verlaufenden Richtung zu vibrieren. Daher schweift der Brennpunkt 84 durch und beleuchtet nachfolgend ein im wesentlichen lineares Volumen des fluiden Materials 12, und Reflexionen von Partikeln in einem solchen Volumen werden durch den Photodetektor 106 detektiert und wie unten beschrieben verarbeitet. Eine geeignete Vibrationsfrequenz für das Linsensystem 102 und den Brennpunkt 84 beträgt 500 Hz mit einer Spitze-Spitze-Versetzung des Brennpunkts von 2 mm.
Die Spule 144 kann durch das in Fig. 4 dargestellte Servosystem betrieben werden. Das Servosystem umfaßt einen Spulenbetriebskreis 150, eine LED-Diode 162, eine Photodiode 164, einen Verstärker 152 und einen AGC(automatische Verstärkungssteuerung)- Kreis 154. Mehr oder weniger Licht von der LED-Diode 162 wird durch die Photodiode 164 empfangen, wenn sich die Blattfeder 146 auf und ab bewegt, wodurch der Strom zu dem Verstärker 152 reduziert oder vergrößert wird. Der Spulenbetriebskreis 150 erregt die Spule 144 mit einer Amplitude, die durch den AGC-Kreis 154 über ein Signal auf einer Leitung 156 gesteuert ist. Der AGC-Kreis 154 stellt das Signal auf der Leitung 156 derart ein, daß die Wechselstromamplitude eines Rückführungssignals 158 konstant gehalten ist. Das Signal auf der Leitung 158 repräsentiert die Position der Feder 146 und folglich der Linse 102 und des Brennpunkts 84, und dieses Signal kann zu dem unten beschriebenen Detektionskreis auf der Leitung 160 gesendet werden. Es kann gewünscht sein, solch ein Signal dazu zu verwenden, die Analyse der Pulse von der Photodiode 106 (Fig. 3) auf Zeitabschnitte zu beschränken, in welchen der Brennpunkt nahe dem Zentrum seines Bewegungsbereichs ist, d. h. auf diejenigen Zeitabschnitte, während derer die Geschwindigkeit des Brennpunkts konstant ist.
Das Fenster 30 kann jegliche Mittel umfassen, durch welche das Licht in das und aus dem fluide bzw. fluiden Medium geführt wird, das analysiert wird. Es kann Fälle geben, worin die Prozeßbedingungen (Temperatur, Druck, explosive Gase) derart gelagert sein können, daß es wünschenswert ist, die elektronischen Teile des optischen Aufbaus mit etwas Abstand von dem Meßpunkt aus anzuordnen. Für diese Anwendungen können alternative optische Anordnungen verwendet werden, bspw. eine Faseroptik oder eine Periskopoptik, wie im Detail unten beschrieben.
In der Vergangenheit haben sich optische Partikelanalysatoren typischerweise lieber auf eine Transmissionsgeometrie als auf eine Rückstreu- oder Reflexionsgeometrie gestützt. In einer eine Transmissionsgeometrie verwendenden Anordnung werden Partikel detektiert, wenn sie zwischen der optischen Quelle und dem Empfänger hindurchfließen. Andererseits ist der Detektor in einer Rückstreuanordnung zum Detektieren von durch die Partikel reflektiertem oder rückgestreutem Licht angeordnet. Einer der Vorteile der Rückstreuanordnung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Messung nicht durch die Beugungseffekte beschränkt ist, die ins Spiel kommen, wenn die Partikelgröße mit der des Brennpunkts vergleichbar ist. Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es nicht erforderlich ist, das einer Messung unterworfene fluide Medium zu verzerren, indem es gezwungen wird, durch eine Probenkammer zu fließen, wenn die Partikel analysiert werden.
Die Geometrie des Strahls 82 und des Brennpunkts 84 ist in größerem Detail in den Fig. 5 und 6 dargestellt. In diesen Figuren ist ein Koordinatensystem verwendet, in welchem die Z-Achse die Längsachse des Strahls 82 definiert und in welchem die x- und Y-Achsen den Strahlquerschnitt definieren. Wie dargestellt, hat der Strahl 82 einen vergleichsweise großen Querschnitt in der Y-Richtung und einen vergleichsweise kleinen Querschnitt in der X-Richtung. An dem Brennpunkt 84 ist der Querschnitt des Strahls wie in Fig. 6 dargestellt, wobei der Brennpunkt Dimensionen aufweist, die zu denen des lichtemittierenden Bereichs 140 der Laserdiode 100 korrespondieren, d. h. ein Durchmesser entlang der X-Achse von etwa 2 um und ein Durchmesser entlang der Y-Achse von etwa 0,7 um. Die Bewegungsrichtung des Brennpunkts 84 aufgrund der Vibration des Linsensystems 102 ist in der Y-Richtung, d. h. senkrecht zu der langen Querschnittsachse des Strahls und zu der durch den Pfeil 16 angedeuteten Flußrichtung. In dem in den Fig. 5 und 6 gezeigten Koordinatensystem sind die Linse 104 und der Photodetektor 106 in der X-Z- Ebene angeordnet.
Das Elektronikpaket 52 (Fig. 1) enthält einen konventionellen Betriebskreis für die Laserdiode 100 und einen Vorverstärker zum Verstärken des Ausgangssignals der Photodiode 106. Ein geeigneter Vorverstärkerkreis ist in Fig. 7 dargestellt. Der Vorverstärker umfaßt die Photodiode 106 und einen Dual-Gate-Galliumarsenid-Feldeffekttransistor (GaAsFET) 170. Der GaAsFET 170 umfaßt Gate-Elektroden G&sub1; und G&sub2;, eine Drain-Elektrode D und eine Source-Elektrode S. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird von der Drain-Elektrode D durch eine Kapazität 172 und einen Verstärker 181 in eine Signalleitung 182 des Koaxialkabels 86 genommen. Die Gate-Elektrode G&sub2; und die Source-Elektrode S des GaAsFET 170 sind mit dem Erdpotential verbunden. Die Kathode der Photodiode 106 ist mit einer positiven Spannungsversorgung V&sbplus; verbunden, und die Anode der Photodiode ist mit der Gate-Elektrode G&sub1; über einen Knoten 174 verbunden. Der Knoten 174 ist über einen Widerstand 176 mit einer negativen Spannungsversorgung V&submin; und über einen Widerstand 178 mit der Drain-Elektrode D verbunden. Die Drain-Elektrode D ist über einen Widerstand 180 mit der positiven Spannungsversorgung V+ verbunden. In dem Vorverstärker in Fig. 7 ist die Photodiode 106 umgekehrt vorgespannt, wobei der Photostrom durch die Photodiode entgegengesetzt zu dem Leitungsstrom ist. Ohne ein umgekehrtes Vorspannen würde die Ansprechgeschwindigkeit der Photodiode aufgrund der hohen Kapazität an dem Diodenübergang niedrig sein. Mit einer umgekehrten Vorspannung ist die Photodiodenkapazität reduziert und die Ansprechgeschwindigkeit ist in korrespondierender Weise erhöht. Eine geeignete Komponente für den GaAsFET 170 ist der MRF 966 N-Kanal-GaAsFET, welcher von Motorola erhältlich ist.
Die Erdung der Gate-Elektrode G&sub2; und der Source-Elektrode S resultiert in einer hohen Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangsstufen, d. h. sehr kleine Rückkopplung und hoher Rauschabstand. Die Anpassungsschaltung, die die Widerstände 176 und 178 umfaßt, sieht eine relativ hohe Eingangsimpedanz vor, um eine gute Impedanzanpassung zwischen der Photodiode 106 und dem GaAsFET 170 bereitzustellen. Die Widerstände 176 und 178 sind derart ausgewählt, daß der Knoten 174 auf einem Potential von etwa -1,8 bis -2,2 V gehalten wird. Wenn der Strom durch die Photodiode 106 als Reaktion auf den Empfang einer Beleuchtung ansteigt, steigt die Spannung an der Gate-Elektrode G&sub1; an und die Spannung an der Drain-Elektrode D fällt ab. Die letztere Spannung wird über den Widerstand 178 zurückgeführt und hält die Spannung an der Gate-Elektrode G&sub1; näherungsweise konstant bei etwa -2 V, wobei ein hoher Rauschabstand erzeugt wird. Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, zwei GaAsFETs in Serie zu verwenden, um einen höheren Verstärkungsgrad des Photodetektorsignals bereitzustellen.
Die Photodiode 106 detektiert Licht über die Linse 104, wann immer der Brennpunkt 84 an einem Partikel in dem fluiden Medium 12 vorbeistreicht und/oder wann immer ein Partikel durch den Brennpunkt fließt, so daß das Partikel etwas Licht des Strahls 82 zurück zu der Linse 104 streut. Bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s durchquert ein 1 um großes Partikel einen 1 um großen Brennpunkt in 1 us. Das korrespondierende rückgestreute Signal steigt deshalb von 0 (oder umgebend) bis zu seinem Maximalwert innerhalb einer Zeitdauer in der Größe von 0,4 us. Der Vorverstärker muß in der Lage sein, auf solch einen Puls anzusprechen, und deshalb sollte er bis zu etwa 2 MHz linear sein. Da diese Frequenz in dem Rundfunkbereich liegt, sollte der Vorverstärkerkreis abgeschirmt und innerhalb des Fühlers 10 sowie angrenzend an den Photodetektor angeordnet sein. Der Vorverstärkerkreis ist von einem konventionellen Operationsverstärker 181 mit einem Transistorbetriebskreis gefolgt, um das Ausgangssignal in ein 50 Ohm-Koaxialkabel 86 zu speisen. Ein geeignetes Kabel ist der Typ RG 58 A/U oder ein Äquivalent. Bei Verwendung eines solchen Kabels kann das Ausgangssignal aus dem Vorverstärker über eine Distanz von 100 Fuß oder mehr in den Eingang des Detektionskreises übertragen werden, der deshalb in einem separaten Gehäuse angeordnet sein kann.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Art und Weise aus, auf welche der Strahl von der Laserdiode emittiert wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 spreizt sich der Strahl in einem Vollwinkel von etwa 330 in der Y-Z-Ebene und etwa 110 in der X-Z-Ebene auf. Der Strahl ist in demselben Winkel in den Brennpunkt 84 fokussiert. Die Strahlintensität nimmt aufgrund der großen Divergenz des Strahls mit zunehmendem Abstand von dem Brennpunkt 84 schnell ab. Daher streuen Partikel, die durch den Strahl 82 vor oder hinter dem Brennpunkt 84 hindurchtreten, die volle Intensität des Strahls nicht so schnell wie Partikel, die durch den Brennpunkt hindurchtreten. Die Wachstumsgeschwindigkeit oder "Anstiegszeit" des Signals an der Photodiode 106 in Fig. 3 kann deshalb als ein Kriterium für die Auswahl derjenigen Partikel verwendet werden, die durch den Brennpunkt hindurchgetreten sind.
Der große Raumwinkel des Strahls 120 erhöht aufgrund der verringerten Strahlintensität schon in geringen Abständen von dem Brennpunkt ebenfalls den gesamten Rauschabstand. Der große Divergenz- und korrespondierende Konvergenzwinkel kann mit anderen Lasertypen nur durch Verwendung großer und teurer Strahlaufweiter und fokussierender Optiken erreicht werden. Die Laserdiode kann so viel oder mehr Leistung als herkömmliche Helium-Neon-Laser (typischerweise 5 mW andauernd) abstrahlen, und der Strahl kann mit einfachen und billigen Optiken aufgeweitet und refokussiert werden, wobei die volle erhältliche Leistung in dem Brennpunkt konzentriert wird. Es sollte angemerkt werden, daß dieses Verfahren nur bei einer Rückstreu-Geometrie verwendet werden kann, oder das fluide Medium muß durch einen sehr schmalen Durchgang geführt werden, durch welchen nur einige wenige Partikel gleichzeitig hindurchtreten könnten, was die Brauchbarkeit der wie oben beschriebenen Vorrichtung ernsthaft beschränken würde.
Eine bevorzugte Ausführung des Detektionskreises der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 8-10 beschrieben. Allgemein analysiert der Detektionskreis die durch die Photodiode und den Vorverstärker erzeugten Pulse, wenn der Brennpunkt über ein Partikel in dem fluiden Medium hinwegstreicht oder wenn ein Partikel durch den Brennpunkt fließt. Der dargestellte Detektionskreis klassifiziert die Partikel in vier Größenkategorien, zählt die Partikel in jeder Größenkategorie und diskriminiert Partikel, die Pulse mit Anstiegszeiten oberhalb (d. h. langsamer gegenüber) einer vorbestimmten Schwelle erzeugen. Jede beliebige Anzahl an Größenkategorien kann natürlich verwendet werden. Das verstärkte Signal von dem Photodetektor 106 wird von dem Detektionskreis über die Leitung 182 des Koaxialkabels 86 empfangen. Das Signal auf der Leitung 182 wird in einen hochverstärkenden Verstärker 200 eingegeben, wobei der Verstärker 200 vorzugsweise eine Anstiegsgeschwindigkeit in dem Größenbereich von 70 V/us aufweist. Die hohe Anstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers 200 ermöglicht es, Änderungen in dem Pegel des Signals auf der Leitung 182 zu folgen, ohne die Signalanstiegszeit zu modifizieren oder zu verschlechtern. Das Ausgangssignal des Verstärkers 200 auf einer Leitung 202 wird in einen Rampenkreis 204 und einen Differenzierer 206 eingegeben. Typische Signale auf den Leitungen 182 und 202 sind in den Fig. 9A bzw. 9B dargestellt. Der Verstärker 200 ist derart vorgespannt, daß das Verstärkerausgangssignal ohne Eingangssignal hoch ist, während ein ansteigendes Eingangssignal den Verstärker nach unten steuert. Die Fig. 9A und 9B illustrieren, daß der Verstärker 200 durch Digitalisieren des Signals ein Rauschen von dem Eingangssignal wirksam entfernt, und illustrieren weiter, daß die Geschwindigkeit, mit welcher das Signal auf der Leitung 202 den Zustand ändert, eine Funktion der Anstiegszeit des Eingangssignals auf der Leitung 182 ist. Wo es der Zusammenhang ermöglicht, sollte die Verwendung des Ausdrucks Anstiegszeithierin derart verstanden werden, daß er sowohl die Anstiegszeit als auch die Abfallzeit eines Signals umfaßt.
Der Differenzierer 206 erzeugt ein Ausgangssignal auf einer Leitung 208, welches eine zu der ersten Ableitung des Signals auf der Leitung 202 korrespondierende Amplitude aufweist. Das differenzierte Signal auf der Leitung 208 wird in einen Begrenzer 210 eingegeben. Der Begrenzer 210 kappt das Signal auf der Leitung 208, um es auf +5,5 V in einer positiven Richtung und -0,5 V in einer negativen Richtung zu begrenzen, und erzeugt ein gekapptes und differenziertes Ausgangssignal auf einer Leitung 212, welches in Fig. 9C dargestellt ist. Die abfallenden Bereiche des Signals auf der Leitung 202 erzeugen aufgrund des Aktionsbegrenzers 210 kleine negative Pulse auf der Leitung 212. Jedoch die ansteigenden Bereiche des Signals auf der Leitung 202 erzeugen positive Pulse auf der Leitung 212, die zu den Anstiegszeiten des Eingangssignals auf der Leitung 202 und zu den Abfallzeiten des Signals auf der Leitung 182 (Fig. 9A) proportionale Amplituden bis zu 5,5 V aufweisen. Die Funktion des Signals auf der Leitung 212 ist in größerem Detail unten beschrieben.
Der Rampenkreis 204 umfaßt Transistoren 214 und 216, eine Kapazität 218, Widerstände 220 und 222 und einen Temperaturkompensationskreis 224. Die Transistoren 214 und 216 sind zwischen einer positiven Spannungsversorgung V&sbplus; und Erde in Serie geschaltet. Das Signal auf der Leitung 202 wird in die Basis des Transistors 214 über den Widerstand 220 eingegeben. Der Kollektor des Transistors 214 ist mit der Kapazität 218 gekoppelt und bildet ebenfalls das Ausgangssignal des Rampenkreises 204 auf einer Leitung 226. Wenn das Signal auf der Leitung 202 hoch ist, leitet der Transistor 214 und hält die Kapazität 218 in einem entladenen Zustand. Die Spannung auf der Leitung 226 ist deshalb zu dieser Zeit niedrig. Wenn jedoch die Spannung auf der Leitung 202 abfällt, hört der Transistor 214 auf, zu leiten, und die Kapazität 218 lädt sich über den Transistor 216 und 222. Das resultierende Rampensignal auf der Leitung 226 ist in Fig. 9D gezeigt. Die Ladegeschwindigkeit der Kapazität 218 hängt von der durch den Temperaturkompensationskreis 224 an der Basis des Transistors 216 bereitgestellten Spannung ab. Der Temperaturkompensationskreis kann deshalb dazu angepaßt sein, eine konstante Ladegeschwindigkeit innerhalb der Betriebstemperatur des Detektionskreises bereitzustellen.
Das Rampensignal auf der Leitung 226 (Fig. 9D) und das begrenzte Ableitungssignal auf der Leitung 212 (Fig. 9C) werden dazu verwendet, den Betrieb eines Zählkreises zu steuern, der Operationsverstärker 230-233, exklusive NOR-Glieder 244-247, Zähler 250-253, selbsthaltende Schalter 254-257 und einen Taktkreis 260 umfaßt. Das Rampensignal auf der Leitung 226 ist mit dem invertierenden Eingang eines jeden Operationsverstärkers 230-233 gekoppelt. Die nichtinvertierenden Eingänge der Operationsverstärker sind an eine Widerstandsleiter gekoppelt, die zwischen eine positive Spannungsversorgung V&sbplus;&sbplus; (bspw. 12 V) und Erde geschaltete Widerstände 234-238 umfaßt, wobei die Widerstandsleiter, wie in Fig. 8 gezeigt, Spannungen V1 bis V4 bereitstellt. Die Ausgänge der Operationsverstärker 230-233 (A1- A4) sind jeweils durch die Widerstände 240-243 an eine positive Spannungsversorgung V&sbplus; (bspw. 5 V) und jeweils an einen der Eingänge der exklusiven NOR-Glieder 244-247 gekoppelt. Die zweiten Eingänge der exklusiven NOR-Glieder sind wie gezeigt von den Ausgängen der benachbarten Operationsverstärker abgezweigt, wobei der zweite Eingang des exklusiven NOR-Glieds 247 mit der positiven Spannungsversorgung V&sbplus; verbunden ist. Die Ausgangssignale der exklusiven NOR-Glieder 244-247 (N1-N4) werden jeweils den Zählern 250-253 eingegeben. Jeder Zähler ist ein 16-Bit-Zähler, und die Ausgangssignale der Zähler können mittels geeigneter, durch den Taktkreis 260 auf Leitungen 262 bzw. 264 bereitgestellter Rückstell- und Freigabesignale zu den selbsthaltenden Schaltern 254-257 transferiert werden.
Der Betrieb des in Fig. 8 dargestellten Zählkreises kann unter Bezugnahme auf das Signaldiagramm der Fig. 9 und das in Fig. 10 bekanntgemachte Logikdiagramm illustriert werden. In Fig. 10 repräsentieren die mit A1-A4 beschrifteten Spalten die jeweiligen Ausgangssignale der Verstärker 230-233, wobei 1 für eine hohe Ausgangsspannung und 0 für eine niedrige Ausgangsspannung steht. Entsprechend korrespondieren die mit N1-N4 beschrifteten Spalten zu den jeweiligen Ausgangssignalen der exklusiven NOR- Glieder 244-247. Unter Bezugnahme auf Fig. 9D beginnt eine Spannungsrampe 270, wenn das Signal auf der Leitung 202 (Fig. 9B) abfällt und sich die Kapazität 218 zu laden beginnt. Anfänglich ist die Spannung auf der Leitung 226 niedriger als alle an den nichtinvertierenden Eingängen der Verstärker 230- 233 bereitgestellten Spannungen (V1 bis V4). Wie in der ersten Reihe von Fig. 10 gezeigt, sind daher die Ausgangssignale A1-A4 sämtlicher Verstärker hoch. Entsprechend weist jedes exklusive NOR-Glied 244-247 an beiden seiner Eingänge hohe Signale auf, und wieder wie in der ersten Reihe von Fig. 10 gezeigt, sind die Ausgangssignale sämtlicher exklusiver NOR-Glieder N1-N4 hoch. Wenn die Spannung auf der Leitung 226 ansteigt, wird ein Punkt auf der Rampe 270 zu einer Zeit t&sub1; erreicht, zu welcher die Spannung auf der Leitung 226 die Spannung V&sub1; an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 230 übersteigt. Deshalb fällt das Ausgangssignal des Verstärkers 230 (AI) ab, und wie in der zweiten Reihe von Fig. 10 dargestellt, fällt folglich das Ausgangssignal des exklusiven NOR-Glieds 244 (N1) ebenfalls ab. Zu der Zeit t&sub2; übersteigt die Spannung auf der Leitung 226 die Spannung V2 an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 231. Deshalb fällt das Ausgangssignal des Verstärkers 231 (A2) ab, wobei es das Ausgangssignal des exklusiven NOR-Glieds 245 (N2) zum Abfallen und, wie in der dritten Reihe von Fig. 10 gezeigt, das Ausgangssignal des exklusiven NOR-Gliedes 244 (Nl) zum Ansteigen veranlaßt. Ein fortgesetztes Anwachsen der Spannung auf der Leitung 226 (in Fig. 9D nicht gezeigt) würde die Signale in den Reihen 4 und. 5 von Fig. 10 zur Folge haben, wenn die Rampe 270 die Spannungen V3 bzw. V4 übersteigt.
Die Spannungsrampe 270 setzt sich fort, bis das Signal auf der Leitung 202 (Fig. 9B) ansteigt, wobei ein hohes Signal auf der Leitung 202 die schnelle Entladung der Kapazität 218 durch den Transistor 214 zur Folge hat. Das ansteigende Signal auf der Leitung 202 hat ebenfalls einen positiven Spannungspuls auf der Leitung 212 (Fig. 9C) zur Folge. Das Signal auf der Leitung 212 ist an den Freigabeeingang eines jeden Zählers 250-253 gekoppelt. Diese Zähler sind dazu angepaßt, auf einen abfallenden Freigabepuls anzusprechen, sofern die Freigabepulsspannung anfänglich größer als 4,5 V war. Demgemäß ist die Pulshöhe im Falle eines Pulses 272 (Fig. 9C) anfänglich oberhalb der 4,5 V- Schwelle, und folglich ermöglicht die abfallende Kante des Pulses 272 den Zählern 250-253, die jeweiligen durch die exklusiven NOR-Glieder 244-247 zugeführten Signale zu empfangen. Da die Signale N1, N3 und N4 hoch sind, wenn der Freigabepuls 272 auftritt, registrieren die Zähler 250, 252 und 253 keine Zählereignisse als Reaktion auf den Freigabepuls. Jedoch wird ein Zählereignis durch den Zähler 251 aufgrund des niedrigen N2- Signals von dem exklusiven NOR-Glied 245 registriert. Das N2- Signal ist in Fig. 9E dargestellt. Wegen des längeren Signalwegs zwischen der Leitung 202 und dem Ausgangssignal des exklusiven NOR-Glieds 245, bleibt das N2-Signal für eine kurze Zeitdauer d nach dem Auftreten des Pulses 272 niedrig, wodurch gewährleistet wird, daß der Zähler 251 ein Zählereignis registriert.
Nachdem den Zählern 250, 253 ermöglicht worden ist, Zählereignisse während einer vorbestimmten Zeitdauer anzusammeln, können die Inhalte der Zähler mittels eines Freigabesignals auf einer Leitung 264 zu den selbsthaltenden Schaltern 254-257 transferiert werden. Die Zähler werden dann durch ein Rückstellsignal auf einer Leitung 262 auf Null zurückgegestellt, und der Vorgang wird wiederholt. Daher enthält jeder selbsthaltende Schalter zu der Zeit, zu der die Zählerinhalte transferiert werden, eine zu der Anzahl der in einem gegebenen Größenbereich gezählten Partikel korrespondierende Zahl, wobei die Größenbereiche durch die Spannungen V1-V4 definiert sind. Die selbsthaltenden Schalter können dazu verwendet werden, Displays zu betreiben oder die Zähldaten zu einem Datenspeichersystem oder zu einem Prozeßsteuersystem zu transferieren.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, daß Partikel nicht gezählt werden, die zu weit weg von dem Brennpunkt durch den Lichtstrahl hindurchtreten. Eine Diskriminierung solcher Partikel ist durch die Forderung vorgesehen, daß der Freigabepuls 272 ein vorbestimmtes Niveau, bspw. 2,5 V, übersteigt. Fig. 9A stellt einen Puls 274 dar, der von einem Partikel resultiert, das den Lichtstrahl teilweise okkludierte, das aber nicht in dem Volumen enthalten war, durch welches der Brennpunkt gescannt wurde. Wie in Fig. 9C dargestellt, hat die langsame Anstiegszeit des Pulses 274 einen Freigabepuls 276 zur Folge, der eine Amplitude von weniger als der 2,5 V-Schwelle aufweist. Der Puls 274 ist deshalb zum Freigeben der Zähler 250-253 unwirksam. Folglich wird für den Puls 274 kein Zählereignis registriert und die geforderte Abschirmung von außerhalb des Brennpunkts befindlichen Partikeln ist ausgeführt. Es ist wichtig, zu bemerken, daß die hohe Verstärkung des Verstärkers 200 verbunden mit der durch den Differenzierer 206 bereitgestellten Anstiegszeitdiskriminierung einen Detektionskreis bereitstellt, der nicht von der Amplitude der Pulse von der Photodiode und dem Vorverstärker abhängt, sondern vielmehr von deren Anstiegszeiten. Die Anstiegszeitempfindlichkeit des Detektionskreises ist durch die Zeitkonstante des Differenzierers 206 bestimmt. Wenn der Differenzierer durch einen einfachen RC- Kreis verwirklicht ist, sind geeignete Werte für den Widerstand und die Kapazität 33 pF bzw. 2,2 kO, was eine Zeitkonstante von 73 ns ergibt. Wenn der Verstärker 200 eine Anstiegsgeschwindigkeit von 70 V/us aufweist, läuft das Verstärkerausgangssignal von +10 V bis zu -10 V in etwa 285 ns, eine Änderung, die mit einem Aufladen der Differenziererkapazität auf 5 V in 75 ns vergleichbar ist. Daher zählt der Detektionskreis nur diejenigen Pulse, die schnell genug sind, den Verstärker in der Nähe seiner maximalen Anstiegsgeschwindigkeit zu betreiben.
Es sollte bemerkt werden, daß das oben beschriebene System zur Verwendung jeder beliebigen Anzahl an Größenkategorien modifiziert werden kann und daß digitale Signalverarbeitungsverfahren verwendet werden können, um die Anstiegszeit- und Pulslängenwerte zu erhalten. Mit Hochgeschwindigkeit arbeitende Mikroprozessorschaltkreise können verwendet werden, um scharfe Längen-, Amplituden- und Anstiegszeitwerte für jeden empfangenen Puls bereitzustellen, wobei ermöglicht wird, eher als eine feste Anzahl an Größenkategorien eine kontinuierliche Verteilung sämtlicher Partikelgrößen zu erhalten.
Während einiger Anwendungen fließt das die zu analysierenden Partikel enthaltende fluide Medium mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit an dem Punkt vorbei, an welchem die Partikelgrößen und -konzentrationen zu messen sind. In einem solchen Fall kann es nicht erforderlich sein, den Brennpunkt zu scannen, und die Partikelanalyse kann mittels eines fixierten Fühlers und Brennpunkts, an welchem das fluide Medium vorbeifließt, vor sich gehen. In einigen Fällen ist die Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums fixiert, wobei in diesem Fall eine solche fixierte Geschwindigkeit bei der Kalibrierung des Detektionskreises berücksichtigt werden kann. Wenn jedoch die Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums variabel ist und dort, wo es gewünscht ist, sowohl die Partikelgröße als auch die Partikelanzahl zu bestimmen, dann wird es im allgemeinen erforderlich sein, entweder eine Fließregulationsvorrichtung zum Erzeugen einer fixierten Fließgeschwindigkeit an der Probe vorbei zu verwenden oder die Fließgeschwindigkeit zu messen und die gemessene Fließgeschwindigkeit in dem Detektionskreis zu berücksichtigen. Die letztere Situation ist in Fig. 11 dargestellt. In dieser Fig. wird ein Fühler 280 zum Messen der Partikelgrößen und -anzahlen in einem Rohr 282 verwendet, durch welches ein fluides Medium 283 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung fließt. Ein Durchflußmesser 284 ist in das Rohr 282 eingefügt und erzeugt ein Fließgeschwindigkeitssignal auf einer Leitung 292. Das in Fig. 11 gezeigte System umfaßt weiter einen Detektionskreis 286 und ein Display 288. Der Detektionskreis empfängt das durch den Fühler 280 auf einer Leitung 290 bereitgestellte Signal und ist ebenfalls zum Empfangen des Fließsignals auf der Leitung 292 geschaltet. Der Detektionskreis kann dem in Fig. 8 gezeigten Kreis ähnlich sein. In einem solchen Fall würde der Detektionskreis das Fließsignal auf der Leitung 292 dazu verwenden, die Zeitkonstante des Differenzierers 206 zu verändern und ebenfalls die Steigung der durch den Rampenkreis 204 erzeugten Rampe zu modifizieren. Die resultierenden Partikelgrößen und -anzahlen könnten dann mittels des Displays 288 dargestellt werden.
In dem Fall, wo es nicht gewünscht ist, einen Durchflußmesser zu verwenden, kann ein Mechanismus zum Erzeugen eines konstanten Flusses des fluiden Mediums an dem Fühler vorbei verwendet werden. In dem Falle von in einem Gas mitgeführten pulverisierten Materialien kann der Mechanismus einfach ein an das optische Fenster angrenzendes Venturirohr mit luftbetriebenen Trockenluftdüsen, die die Partikel an dem Fenster vorbeiblasen, umfassen. Wo ein Brennpunkt-Scannen nicht angewendet wird, ist es allgemein erforderlich, daß die Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums hoch genug ist, um die erforderlichen Zählraten bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist dazu in der Lage, genaue Messungen von Partikelgrößen über einen sehr weiten Bereich an Partikelkonzentrationen zu erzeugen, d. h. von 0,01 bis höher als 20 Volumenprozent. Jedoch ist die Distanz von dem Fenster zu dem Brennpunkt für die Genauigkeit des Systems wichtig. Wenn der Brennpunkt zu weit innerhalb des fluiden Mediums ist, dann können die Partikel zwischen dem Fenster und dem Punkt zu viel des Strahls kollektiv streuen, wobei (wie bei den Transmissionsgeometrien) wenig der Lichtenergie zum Fokussieren übriggelassen wird. Wenn der Brennpunkt zu nahe bei dem Fenster ist, dann wird die Wahrscheinlichkeit des Strahls gering, ein Partikel zu beleuchten, wobei die Erfassung von Daten auf unakzeptable Niveaus verlangsamt wird.
Es ist entdeckt worden, daß die optimale Genauigkeit bei dem Zählen und Bemessen von Partikeln durch ein derartiges Einstellen der Distanz von dem Fenster zu dem Brennpunkt erreicht wird, bei welchem die integrierte Amplitude maximiert ist. Die integrierte Amplitude ist die mittlere Amplitude des Signals auf der Leitung 182 von Fig. 8. Daher ist die integrierte Amplitude unter Bezugnahme auf Fig. 9A das über alle auf der Leitung 182 auftretenden Pulse integrierte Mittel der Pulsamplitude mal der Pulsbreite. Das Signal auf der Leitung 182 kann zu einem geeigneten, unten beschriebenen integrierten Amplitudenkreis gesendet werden, der eine Angabe oder ein Signal proportional zu der integrierten Amplitude erzeugen kann. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann ein solches Signal mit einem geeigneten Regelkreis zum Steuern des Schrittmotors 80/Positionierers 76 verwendet werden, um automatisch die Position des optischen Aufbaus 50 und demgemäß die Distanz zwischen dem Brennpunkt und dem Fenster einzustellen, so daß die maximale integrierte Amplitude erreicht wird. Alternativ kann eine Angabe der integrierten Amplitude dazu verwendet werden, die Position des Brennpunkts manuell einzustellen.
Eine geeignete Ausführung für einen integrierten Amplitudenkreis ist in Fig. 12 gezeigt. Der integrierte Amplitudenkreis umfaßt eine Anpassungsschaltung 360, einen Tiefpaßfilter 362, einen Verstärker 364, einen Regelverstärker 366 und einen Tiefpaßfilter 368. Das vorverstärkte Fühlerausgangssignal auf der Leitung 182 (Fig. 8) wird der Anpassungsschaltung 360 zugeführt. Die Anpassungsschaltung umfaßt eine Diode 370, Widerstände 372 und 374 und eine Kapazität 376. Die Anpassungsschaltung konvertiert das Fühlerausgangssignal in ein genau ausbalanciertes DC-Ausgangssignal. Das durch die Anpassungsschaltung erzeugte Signal wird durch den Tiefpaßfilter 372 gefiltert, durch den Verstärker 364 verstärkt und dann in den Regelverstärker 366 eingegeben. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers tritt durch einen zweiten Tiefpaßfilter 368 hindurch und wird dann in den A/D 344 eingegeben. Der A/D 344 steuert die Verstärkung des Verstärkers 366 über ein Rückkopplungssignal auf einer Leitung 370 in einer Fachleuten wohlbekannten Weise, um den Dynamikbereich zu maximieren. Das durch den A/D 344 erzeugte digitale integrierte Amplitudensignal auf einem Bus 346 wird dann, wie oben beschrieben, in ein Servosystem eingegeben, um die Position des Brennpunkts zu steuern.
In vielen Anwendungen existiert ein "Halo" von den Brennpunkt in dem fluiden Medium umgebendem Licht, welcher durch sekundäre Lichtstreuung und Lichtstreuung höherer Ordnung von Partikeln in der Nähe des Brennpunkts verursacht ist. Unter Bezugnahme auf das Lambert-Beer-Gesetz der Lichtausbreitung durch ein fluides Medium mit suspendierten Partikeln ist die Lichtintensität It im Abstand x von der Lichtquelle gegeben durch:
It = I0e-nCkx (1),
worin I0 die Intensität an der Quelle ist, n die Anzahl an Partikeln ist, C der optische Querschnitt der Partikel ist und k der Absorptionskoeffizient ist. Im Falle rückgestreuten Lichts ist der Abstand x von der Quelle für außeraxiale Detektionspunkte unterschiedlich, d. h. für Licht von dem den Brennpunkt umgebenden Halo. Das mittels solcher Detektoren empfangene Licht ist dann proportional zu dem Produkt nCk in der obigen Gleichung (1). Da k für ein gegebenes Material konstant ist und sich C direkt auf die Größe der Partikel bezieht, kann n bestimmt und als ein Maß volumetrischer Konzentration verwendet werden. Die Photodiode 108 in Fig. 3 mißt das aus nicht in dem Brennpunkt 84 eingeschlossenen Bereichen gestreute Licht und mißt so Licht aus dem "Halo", das sich eine unterschiedliche Distanz von der Quelle aus bewegt hat, als es das durch die Photodiode 106 empfangene Licht aus dem Brennpunkt hat. Daher ist das Verhältnis der Signale von 108 und 106 ein Maß für die Anzahl n der Partikel in dem fluiden Medium.
Fig. 13 stellt eine Ausführung dar, in der ein gemeinsamer Lichtweg für das Beleuchtungs- und das rückgestreute Licht verwendet ist. Die Ausführung aus Fig. 13 umfaßt eine Laserdiode 380, eine Kollimationslinse 384, einen Strahlenteiler 386 und eine fokussierende Linse 388. Der von einem lichtemittierenden Bereich 382 der Laserdiode 380 emittierte Strahl wird durch die Linse 384 parallel gerichtet und tritt durch den Strahlenteiler 386 und die Linse 388 hindurch in ein optisches Zuführsystem, das ein Periskop(optisches Relais)-System oder ein Lichtleitfasersystem umfassen kann. Das optische Zuführsystem projiziert das Beleuchtungslicht entlang einer Achse 402 und fokussiert das Beleuchtungslicht in einen Brennpunkt 400 in dem fluiden Medium. Licht wird aus dem Brennpunkt 400 rückgestreut, tritt durch das optische Zuführsystem 394 zu dem Strahlenteiler hindurch und wird durch den Strahlenteiler zu einer Linse 404 reflektiert, die das rückgestreute Licht auf eine Photodiode 406 fokussiert. Es sei bemerkt, daß die senkrecht zu der Achse 402 an dem Brennpunkt 400 verlaufende Brennpunktsebene auf eine Ebene an dem Photodetektor 406 abgebildet wird, die senkrecht zu einer Achse 408 des Lichtstrahls verläuft, der sich von dem Strahlenteiler zu dem Photodetektor bewegt. Jedoch bleibt die Beleuchtung an dem Photodetektor 406 unverändert, selbst wenn der Brennpunkt 400 gescannt wird. In einer bevorzugten Anordnung ist der Photodetektor 406 ein mehrteiliger Photodetektor, der dazu angepaßt ist, nicht nur das gestreute Licht in dem Zentrum des Strahls zu messen, sondern auch das außeraxiale Licht, das das Resultat des Halo-Effekts ist.
Die Konfiguration des mehrteiligen Photodetektors kann in Abhängigkeit davon variieren, welche zusätzliche Information zu sammeln ist. Ein geeigneter Aufbau ist in Fig. 14 gezeigt. Der Photodetektor 406 besteht aus zwei konzentrischen Photodetektorringen 440 und 442, welche einen zentral angeordneten Hochgeschwindigkeitsdetektor 444 umgeben, auf welchen das Zentrum des Strahls (d. h. das von dem Brennpunkt rückgestreute Licht) fokussiert ist. Der zentral angeordnete Detektor 444 ist hinsichtlich seiner Größe klein genug, um eine Hochgeschwindigkeitsansprechzeit zu haben, aber groß genug, um das gesamte aus dem Brennpunkt 400 gestreute Licht einzufangen. Das Signal von diesem Photodetektor wird verwendet, um das von individuellen Partikeln gestreute Licht, wie oben beschrieben, zu analysieren. Die Photodetektorringe 440 und 442 sind in ihren Ausmaßen größer und fangen von Bereichen des Halos gestreutes Licht ein. Die durch diese Photodetektoren erzeugten Signale sind daher weitgehend ein mittlerer Spannungs- oder DC-Pegel, und das Verhältnis des durch den Photodetektorring 440 erzeugten Signals zu dem durch den Photodetektorring 442 erzeugten Signal kann dazu verwendet werden, die Konzentration von Partikeln in dem fluiden Medium zu messen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Partikelanalysetechnik bereit, die bei On-line-Anwendungen in einem Fertigungsfluß und in Prozeßbehältern eingesetzt werden kann. Jedoch existieren Schwierigkeiten bei der Verwendung elektrischer Komponenten in Bereichen mit hohen Temperaturen und in Bereichen mit potentiell brennbaren oder explosiven Umgebungen. Bspw. arbeiten Laserdioden nicht bei Temperaturen oberhalb etwa 50ºC. Des weiteren sollte ein Fühler oder Sensor in explosiven Umgebungen, bspw. Umgebungen mit brennbaren Lösungsmitteln, eigensicher oder zumindest explosionssicher sein. Ein explosionssicherer Fühler ist derart aufgebaut, daß er keine Explosion verursachen oder nicht zu einer Explosion beitragen kann, d. h., er ist in einem explosionssicheren Gehäuse untergebracht. Ein eigensicherer Fühler ist ein Fühler, der keine elektrischen Signale oder Komponenten verwendet, und der in anderer Weise derart aufgebaut ist, daß er keine Explosion verursachen oder nicht zu einer Explosion beitragen kann. Demgemäß muß ein eigensicherer Fühler keinen ausgedehnten Prozeß durchlaufen, um ein "Explosionssicherheits"-Zertifikat zu erhalten.
Ein eigensicheres Partikelzählsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 15-18 gezeigt. Unter Bezugnahme auf Fig. 15 umfaßt dieses System einen Fühler 450 und einen Kontroller 452. Der Fühler 450 ist die Komponente des Systems, die an der Überwachungsstelle angeordnet und unter Verwendung ausschließlich optischer und pneumatischer Komponenten verwirklicht ist. Der Fühler umfaßt ein Fenster 454, eine Linse 456, ein optisches System 458 und einen pneumatischen Oszillator 460. Der Kontroller 452 ist hinsichtlich des Fühlers 450 entfernt angeordnet und umfaßt eine Laserdiode 464, einen Photodetektor 466, einen pneumatischen Kontroller 468 und weitere unten beschriebene Komponenten. Die Laserdiode 464 ist an das optische System 458 des Fühlers 450 über ein Einmodenlichtleitfaserkabel 470 gekoppelt, der Photodetektor 466 ist an das optische System über ein Multimodenlichtleitfaserkabel 472 gekoppelt und der pneumatische Kontroller 468 ist an den Fühler über eine Luftleitung 482 gekoppelt. Die Laserdiode 464 kann einen konventionellen Einmodenfaserschweineschwanz umfassen, der direkt an das Monomodenkabel 470 gespleißt ist. Die Laserdiode 464 erzeugt ein optisches Einmodensignal auf dem Lichtleitfaserkabel 470, welches durch das optische System 458 empfangen und durch das optische System in einen für eine Transmission über die Linse 456 zu dem Brennpunkt 462 geeigneten Strahl geformt wird. In entsprechender Weise empfängt das optische System von dem Brennpunkt über die Linse 456 reflektiertes Licht und koppelt das Licht zur Rückleitung zu dem Kontroller 452 in das Lichtleitfaserkabel 472.
Die Linse 456 ist an einem Ende einer Blattfeder 476 angebracht, wobei das andere Ende der Blattfeder an einer Basis 478 befestigt ist. Die Basis 478 weist einen Hohlraum 480 auf, und die Blattfeder ist derart positioniert, daß die Blattfeder, wenn sie nicht abgelenkt ist, gerade den Hohlraum an einer Lippe 484 abschließt und daß die Linse 456 und das Ende der Blattfeder, an welchem sie befestigt ist, auf und ab vibrieren können, ohne die Lippe 484 zu berühren. Druckluft wird dem Hohlraum 480 über die Luftleitung 482 zugeführt. Als Reaktion auf die Druckluft biegt sich die Blattfeder 476 nach oben, wodurch sie einen Zwischenraum zwischen dem Ende der Blattfeder unter der Linse 456 unter der Lippe 484 bereitstellt. Dieser Zwischenraum ermöglicht Luft, aus dem Hohlraum zu entweichen, wodurch der Luftdruck in dem Hohlraum reduziert wird. Ein Fortführen dieses Prozesses führt zu einer Vibration der Blattfeder 476 und der Linse 456 mit einer resonanten Frequenz, die von der Länge und Dicke der Blattfeder und von der Masse der Linse 456 abhängt. Diese Parameter können ausgewählt werden, um eine geeignete Scan-Frequenz, bspw. 400 Hz, zu erzeugen, wobei der Luftdruck in der Luftleitung 482 die Vibrationsamplitude steuert. Bei anderen geeigneten pneumatischen Systemen kann der Luftfluß oder -druck in der Luftleitung 482 dazu verwendet werden, die Scan-Frequenz zu steuern.
Das Volumen des Hohlraums 480 kann variiert werden, um die Antriebseffizienz zu erhöhen, und ein Drosselkörper für den Luftfluß kann verwendet werden, um den Luftfluß während der oberen Bereiche der Vibration der Blattfeder zu beschränken. Für einige Anwendungen dient die Luftleitung 482 selbst als ein geeigneter Drosselkörper für den Luftfluß. Es versteht sich natürlich von selbst, daß das in Fig. 15 gezeigte pneumatische Oszillationssystem nicht für diejenigen Anwendungen erforderlich ist, in welchen die Partikel mit geeigneten Geschwindigkeiten an dem Fühler vorbeifließen.
Weitere Details des Fühlers 450 sind in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Wie dargestellt umfaßt das optische System 458 einen Strahlenteiler 500, Prismen 502 und 504, Linsen 506 und 508 und einen Schwarzkörperhohlraum 510. Das Lichtleitfaserkabel 470 weist einen Abschluß 512 auf, der in dem Brennpunkt der Linse 506 positioniert ist, so daß aus dem Lichtleitfaserkabel 470 heraustretendes Licht auf die Linse 506 auftrifft und durch diese parallel gerichtet wird. Ein Abschluß 514 des Lichtleitfaserkabels 472 ist in dem Brennpunkt der Linse 508 angeordnet, so daß von rechts nach links durch die Linse 508 hindurchtretendes, parallel gerichtetes Licht in das Lichtleitfaserkabel 472 fokussiert wird. Das optische System, die Linse 456 und die Abschlüsse 512 und 514 sind innerhalb eines schematisch durch eine Phantomlinie 520 dargestellten Gehäuses angebracht, das dann wieder innerhalb eines Fühlerkörpers 522 angebracht ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse 520 pneumatisch in einer Längsrichtung bewegbar, um die Position des Brennpunkts 462 bezüglich des Fensters 454 einzustellen.
Während des Betriebs wird Licht aus dem Lichtleitfaserkabel 470 durch die Linse 506 parallel gerichtet und trifft auf den Strahlenteiler 500. Ein Teil der einfallenden Beleuchtung tritt durch den Strahlenteiler zu der Linse 456 hindurch und wird in den Brennpunkt 462 fokussiert. Der Rest der einfallenden Beleuchtung wird durch den Strahlenteiler 500 über das Prisma 502 in den Schwarzkörperhohlraum 510 reflektiert. Aus dem Brennpunkt 462 zurückkehrendes Licht verläuft über die Linse 456 und den Strahlenteiler 500 zu dem Prisma 504, wo es über die Linse 508 in das Lichtleitfaserkabel 472 reflektiert wird. Wie in Fig. 16 gezeigt, sind der Strahlenteiler 500 und die Prismen 502 und 504 in einem kleinen Winkel 524 von der optischen Achse der Linse 456 versetzt, um zu verhindern, daß irgendwelche Reflexionen aus dem Schwarzkörperhohlraum 510 in das Lichtleitfaserkabel 472 eintreten. Wie in Fig. 17 gezeigt, ist das Fenster 454 entsprechend in einem kleinen Winkel 526 von der optischen Achse der Linse 456 versetzt, um zu verhindern, daß Reflexionen aus dem Fenster 454 in das Lichtleitfaserkabel 472 eintreten.
Das Arbeitsprinzip der Ausführung aus den Fig. 15-18 besteht darin, daß aus dem Ende des Einmodenlichtleitfaserkabels 470 austretendes Licht ein Strahlungsmuster sphärischer Wellen erzeugt, die aus einer einige Mikrometer hinter der Endfläche der Faser befindlichen virtuellen Punktquelle zu kommen scheinen. Das Lichtleitfaserkabel 470 kann deshalb in einer der Laserdiode selbst in vorher beschriebenen Ausführungen entsprechenden Weise als eine sehr kompakte Beleuchtungsquelle wirken. Daher ist die Ausführung aus den Fig. 15-17 wie frühere Ausführungen in der Lage, einen Brennpunkt 462 von sehr geringer Größe zu erzeugen. Der Abschluß 512 ist derart angeordnet, daß die virtuelle Punktquelle an dem exakten Brennpunkt der Linse 506 ist. Im Prinzip wäre es möglich, ein einziges Lichtleitfaserkabel zu verwenden, um Licht zu und von dem Fühler 450 zu übertragen. Jedoch besteht der Vorteil der oben beschriebenen Anordnung darin, daß durch Verbindungsstellen in dem Lichtweg zwischen der Laserdiode 464 und dem Strahlenteiler 500 verursachte Reflexionen nicht in das Lichtleitfaserkabel 472 eingekoppelt werden und keinen DC-Signalpegel an dem Photodetektor 466 erzeugen. Dies ist eine wichtige Betrachtung, da der Geräuschpegel einer empfangenden Diode mit dem DC-Strom ansteigt. Weitere Techniken zum Minimieren des Lichtbetrags, der aus anderen Quellen als dem Brennpunkt 462 in das Lichtleitfaserkabel 472 eintritt, sind die oben beschriebenen Winkelabweichungen 524 und 526, die Verwendung des Schwarzkörperhohlraums 510 und die Verwendung geeigneter Antireflexionsbeschichtungen auf den Linsen, dem Strahlenteiler und den Prismen, die das optische System umfassen.
Die Verwendung eines Multimodenkabels als Lichtleitfaserkabel 472 ermöglicht einem größeren Betrag an reflektiertem Licht, in das Lichtleitfaserkabel eingekoppelt zu werden. Der Grund dafür ist, daß Multimodenkabel im Vergleich zu Einmodenkabeln größere Kerndurchmesser und größere numerische Aperturen haben. Des weiteren ist die Aufrechterhaltung eines hohen Grades an räumlicher Kohärenz für das zurückkommende optische Signal aufgrund der vergleichsweise großen Empfangsfläche des Photodetektors 466 nicht erforderlich. Die für die Linse 508 gewählte Brennweite ist ein Kompromiß zwischen konkurrierenden Betrachtungen. Eine beugungsbegrenzte Linse mit langer Brennweite erzeugt einen größeren Brennpunkt als eine Linse mit einer kurzen Brennweite mit derselben Apertur. Jedoch wird nur der Anteil des Lichts aus der Linse 508, welcher in die numerische Apertur des Lichtleitfaserkabels 472 fällt, in das Lichtleitfaserkabel eingekoppelt. Wenn daher die Linse 508 eine kurze Brennweite hat, erzeugt sie einen kleineren Lichtpunkt an dem Ende des Lichtleitfaserkabels 472, jedoch kann etwas Licht außerhalb der numerischen Apertur des Lichtleitfaserkabels sein. Wenn die Linse 508 eine lange Brennweite hat, dann erzeugt sie einen größeren Lichtpunkt an dem Ende des Lichtleitfaserkabels 472 und ein Teil des Lichtpunkts kann eher auf die Hülle als auf den Kern des Lichtleitfaserkabels fallen. In der Praxis sind Brennweiten in dem Bereich von 10-25 mm als am meisten geeignet herausgefunden worden.
Zusätzlich zu der Laserdiode 464, dem Photodetektor 466 und dem pneumatischen Kontroller 468 umfaßt der Kontroller 452 Verstärker 490 und 492, einen Luftstromregulator 494, einen Taktgeber 498, eine PLL-Schaltung 530, einen Schalter 532 und einen Prozessor 534. Der Verstärker 490, der Luftstromregulator 494 und der pneumatische Kontroller 468 werden dazu verwendet, den Luftstrom in der Luftleitung 482 zu regulieren. Der Verstärker 492 und der Schalter 532 werden dazu verwendet, das Ausgangssignal des Photodetektors 466 an den Prozessor 534 zu koppeln. Der Verstärker 492 kann in einer zu dem in Fig. 7 gezeigten Vorverstärker identischen Weise verwirklicht werden, und der Prozessor 534 kann entsprechend oder identisch zu dem in Fig. 8 gezeigten Prozessor sein. Der Zweck des Taktgebers 498, der PLL-Schaltung 530 und des Schalters 532 und der Betrieb des Luftstromsteuerwegs sind unten beschrieben.
Um die Partikelgröße genau zu bestimmen, muß die Geschwindigkeit, mit welcher der Brennpunkt 462 durch das fluide Medium scannt, bekannt oder in geeigneter Weise abgeschätzt sein. Wie vorher beschrieben, kann dies durch Zählen von Partikeln ausschließlich während der relativ konstanten Geschwindigkeitsabschnitte der Oszillation des Brennpunkts durchgeführt werden. Insbesondere unter der Annahme, daß die Brennpunktsbewegung durch eine sinusförmige Welle repräsentiert ist, kann das Detektionssignal ausschließlich während denjenigen Abschnitten einer jeden Oszillation verarbeitet werden, bei welchen die Phase in dem Bereich von 315º-45º und 135º-225º ist. Mit den vorher beschriebenen Ausführungen, bei welchen die Brennpunktsoszillation durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Steuersignals erzeugt wurde, ist die Synchronisation der Brennpunktsoszillation mit dem Partikelzählvorgang einfach. Jedoch bei der Ausführung aus den Fig. 15-17 müssen Mittel bereitgestellt werden, um die Arbeitsvorgänge des Prozessors 534 mit den durch den pneumatischen Oszillator 460 erzeugten Oszillationen zu synchronisieren.
Um eine solche Synchronisation zu erreichen, ist ein kleiner Reflektor 474 (Fig. 17) angrenzend an die Lippe 484 der Basis 478 angeordnet. Der Reflektor 474 ist derart angeordnet, daß der Reflektor während der nach unten gerichteten Auslenkung der Linse 456 einen Teil des durch die Linse 456 hindurchtretenden Lichts auffängt und reflektiert. Der Reflektor ist derart ausgewählt, daß diese Reflexionen optische Pulse erzeugen, die merklich größer als die durch individuelle Partikel in dem fluiden Medium erzeugten Pulse sind. Folglich wachsen die Amplituden der durch den Reflektor 474 erzeugten Pulse ebenfalls, wenn die Vibrationsamplitude der Linse 456 anwächst. Diese Pulse werden durch den Photodetektor 466 in elektrische Pulse umgewandelt, und die korrespondierenden elektrischen Pulse werden durch den Verstärker 490 verstärkt und in den Luftstromregulator 494 und den Taktgeber 498 eingegeben. Der Luftstromregulator reagiert durch ein Einstellen des Steuersignals auf einer Leitung 536, um eine vorbestimmte Oszillationsamplitude zu realisieren.
Der Taktgeber 498 empfängt das durch den Verstärker 490 erzeugte Signal und erzeugt eine Reihe von Taktpulsen auf einer Leitung 538, die in die PLL-Schaltung 530 eingegeben werden. Die Taktpulse korrespondieren zu den Zeitpunkten maximaler Abwärtsbewegung der Linse 456. Beispielsweise kann der Taktgeber 498 einen Begrenzer zum Aussieben der durch Partikelreflexion erzeugten kleineren Pulse, einen Differenzierer zum Differenzieren der an dem Ausgang des Begrenzers erzeugten Reflektorpulse und einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Ausgangspulse des Differenzierers umfassen, um dadurch Taktpulse zu erzeugen, die Anstiegsflanken aufweisen, welche exakt zu dem Umkehrpunkt in der Bewegung der Linse 456 korrespondieren. Die Frequenz des Taktsignals auf der Leitung 538 korrespondiert zu der Vibrationsfrequenz der Linse 456. Die PLL-Schaltung 530 verriegelt auf dieses Signal, um das Rechteckwellen(50% Nennbetrieb)-Signal auf einer Leitung 540 zu erzeugen, das den Schalter 532 steuert. Die Taktpulse auf der Leitung 538 treten mit Phasenwinkeln von 90º auf. Die PLL-Schaltung 530 umfaßt deshalb einen Phasenschieberkreis, um ihr Ausgangssignal auf der Leitung 540 um 45º zu verschieben. Der Schalter 532 ist deshalb während der geeigneten Phasenbereiche (315º-45º und 135º-225º) geschlossen, um den Zählvorgang mit der Brennpunktsoszillation zu synchronisieren.
In den bis zu diesem Punkt beschriebenen Ausführungen sind nur die Breite und die Anstiegszeit der durch Partikel in dem Brennpunkt erzeugten Pulse verwendet worden. Jedoch sind die Amplituden der Pulse eine Funktion weiterer physikalischer Charakteristiken der Partikel als deren Größe, bspw. Partikelform, Brechungsindex des Partikels, Farbe und chemische Aufmachungsform. Daher kann nützliche zusätzliche Information durch Analysieren der Pulsamplitude und insbesondere Analysieren der Amplitude von bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Wellenlängen reflektierten Pulsen erhalten werden. Eine Ausführung zum Erhalten solcher zusätzlicher Information ist in Fig. 18 dargestellt. Diese Ausführung umfaßt Laserdioden 550 und 552, einen Koppler 558 und einen Zwei-Wellenlängen-Detektor 564. Die Laserdioden 550 und 552 erzeugen Licht bei zwei verschiedenen Wellenlängen auf Einmodenlichtleitfaserkabeln 554 bzw. 556, und dieses Licht wird durch den Koppler 558 auf einem Einmodenlichtleitfaserkabel 560 kombiniert. Geeignete Einmodenlichtleitfaserkoppler umfassen diejenigen in den von Amphenol erhältlichen 945-Serien. Wie in der vorherigen Ausführung wird das optische Signal auf dem Einmodenkabel 560 in das optische System 458 eingegeben, welches dann wieder ein zurückkehrendes Signal auf einem Multimodenkabel 562 erzeugt.
Der Detektor 564 umfaßt eine Kollimationslinse 566, einen Strahlenteiler 568, Interferenzfilter 570 und 572 und Photodetektoren 574 und 576. Die Linse 566 richtet das aus dem Multimodenlichtleitfaserkabel 562 austretende Licht parallel, und das parallel gerichtete Licht wird durch den Strahlenteiler 568 in erste und zweite Strahlen geteilt. Der erste Strahl wird durch das Interferenzfilter 570 durchgeleitet, das nur Licht aus der Laserdiode 550 zu dem Photodetektor 574 weiterleitet. Der zweite durch den Strahlenteiler erzeugte Strahl verläuft durch das Interferenzfilter 572, das nur das durch die Laserdiode 552 erzeugte Licht zu dem Photodetektor 576 weiterleitet. Folglich mißt jeder Photodetektor nur das in einem einzelnen Wellenlängenbereich rückgestreute Licht. Durch gleichzeitiges Aufsummieren und Abziehen des Lichts von den beiden Photodetektoren kann man wertvolle zusätzliche analytische Information über die spezifischen Partikel in dem Brennpunkt erhalten.
Während die bevorzugten Ausführungen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten Variationen ersichtlich sein. Demgemäß ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt, und der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgenden Patentansprüche zu bestimmen.

Claims

1. Vorrichtung zum Analysieren von in einem fluiden Medium enthaltenen Partikeln, wobei die Vorrichtung umfaßt:

ein Beleuchtungsmittel, das eine optische Quelle (100) und ein optisches System (104) aufweist, welches zum Empfangen von Licht aus der optischen Quelle und zum Fokussieren eines Strahls (82) des Lichts in den Brennpunkt (84) in dem fluiden Medium angeordnet ist;

ein Photodetektormittel (106), das zum Detektieren von durch die Unterbrechung des Lichtstrahls durch die Partikel verursachten Lichtpulsen und zum Erzeugen eines korrespondierenden elektrischen Signals angeordnet ist; und

ein Detektionsmittel, das zum Empfangen des elektrischen Signals geschaltet ist, wobei das Detektionsmittel ein Größenmessungsmittel (204, A1-A4, 234-238, 244-247) aufweist, das zum Messen der zeitlichen Perioden angeordnet ist, in welchen individuelle Partikel durch den Lichtstrahl beleuchtet sind, um aus den Perioden und der Geschwindigkeit des fluiden Mediums relativ zu dem Brennpunkt eine zu der Größe der Partikel korrespondierende Angabe herzuleiten;

dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektormittel (106) zum Detektieren von von den Partikeln rückgestreuten Lichtpulsen bei Partikelkonzentrationen von 0,01 bis zu höher als 20 Volumenprozent des fluiden Mediums durch ein einziges optisches Eingangsfenster (30) angeordnet ist, durch welches Fenster sowohl das Licht aus dem Beleuchtungsmittel als auch die zu dem Photodetektor rückgestreuten Lichtpulse hindurchtreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektormittel und das Detektionsmittel auf von Partikeln rückgestreutes Licht ansprechen, welche den Lichtstrahl (82) in dem Brennpunkt (84) unterbrechen, und von Partikeln rückgestreutes Licht diskriminieren, welche den Strahl vor oder hinter dem Brennpunkt unterbrechen und den Lichtstrahl teilweise okkludieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel ein Diskriminierungsmittel (206) aufweist, das zum Diskriminieren von in dem elektrischen Signal enthaltenen Pulsen angeordnet ist, welche eine Anstiegszeit oder Abfallzeit oberhalb einer vorbestimmten Schwelle aufweisen, wobei derartige elektrische Signalpulse zu rückgestreuten Lichtpulsen von Partikeln vor oder hinter dem Brennpunkt korrespondieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektormittel (106) auf den Brennpunkt fokussiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die optische Quelle eine Laserdiode (100) ist und das optische System zum Erzeugen einer Abbildung des abstrahlenden Bereichs der Laserdiode in dem Brennpunkt (84) angeordnet ist, wobei der Brennpunkt Dimensionen aufweist, die denen des abstrahlenden Bereichs vergleichbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Form eines Gehäuses (20) mit einem Fenster (30) in seiner äußeren Wand, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel zum Richten des Strahls (82) durch das Fenster zu einem außerhalb des Fensters angeordneten Brennpunkt (84) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel ein Mittel (360-368) zum Erzeugen eines integrierten Amplitudensignals aufweist, das eine zu der mittleren Amplitude des elektrischen Signals korrespondierende Größe aufweist, und worin das Beleuchtungsmittel ein Mittel (76, 80) zum Einstellen der Distanz zwischen dem Brennpunkt (84) und dem Fenster (30) aufweist, um zu ermöglichen, daß die integrierte Signalamplitude maximiert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter ein Scanningmittel (112) zum Scannen des Brennpunkts (84) durch das fluide Medium umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 sowie abhängig von Anspruch 6 oder Anspruch 7, worin das Scanningmittel (112) zum Scannen des Brennpunkts in einer zu dem Fenster (30) parallelen Richtung angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die optische Quelle (380) und das Photodetektormittel (406) zum Scannen des fluiden Mediums derart angeordnet sind, daß sich Licht aus der optischen Quelle bzw. durch das Photodetektormittel detektierte Lichtpulse entlang eines gemeinsamen Lichtwegs zu und von dem gescannten Brennpunkt (400) hin- bzw. herbewegen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin von dem Brennpunkt (84) rückgestreutes Licht durch das optische System (450) gesammelt und durch einen in dem Lichtweg des Lichtstrahls angeordneten Strahlenteiler (500) zu dem Photodetektormittel (466) gerichtet wird.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Detektionsmittel ein Mittel zum separaten Zählen von zu den Pulsen rückgestreuten Lichts korrespondierenden elektrischen Pulsen aufweist, wobei die elektrischen Pulse in eine Vielzahl von Pulslängenbereichen verteilt sind, wodurch die Anzahlen an Partikeln in einer Vielzahl von Größenbereichen bestimmt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin das Detektionsmittel eine Vielzahl von ersten Zählern (250-253), wobei jeder erste Zähler mit einem bestimmten Pulslängenbereich assoziiert ist, ein auf jeden elektrischen Puls (230-238) ansprechendes Mittel zum Bestimmen der Pulslänge und zum Liefern eines Signals zu einem ausgewählten ersten Zähler, in dessen Bereich die Pulslänge fällt, und ein Freigabemittel (206, 210) zum Liefern eines Freigabesignals umfaßt, welches dahingehend wirksam ist, dem ausgewählten ersten Zähler ein Erhöhen seiner Zählung zu ermöglichen, wobei das Freigabemittel das Freigabesignal liefert, wenn die Anstiegs- oder Abfallzeit eines Pulses unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Beleuchtungsmittel ein Einmodenlichtleitfaserkabel (470) und eine Laserdiode (464) einschließlich eines Mittels zum Koppeln von Licht aus der Laserdiode in ein erstes Ende des Einmodenlichtleitfaserkabels umfaßt, wobei das optische System (458) zum Empfangen von Licht aus einem zweiten Ende des Einmodenlichtleitfaserkabels angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Photodetektormittel einen Photodetektor und ein Lichtleitfaserkabel (472) zur Rückleitung umfaßt, welches ein zum Empfangen von durch in dem Brennpunkt (462) des optischen Systems befindliche Partikel rückgestreutem Licht angeordnetes erstes Ende und ein mit dem Photodetektor verbundenes zweites Ende aufweist, und worin die Vorrichtung physisch in (i) einen eigensicheren Fühler (45), der das optische System (458) umfaßt und keine elektrischen Komponenten aufweist, und (ii) einen Kontroller (452) unterteilt ist, der die Laserdiode (464), den Photodetektor (466) und das Detektionsmittel umfaßt.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Beleuchtungsmittel zum Emittieren bei zwei verschiedenen Wellenlängen und das Photodetektormittel (574, 576) zum Detektieren rückgestreuter Lichtpulse der beiden Wellenlängen angeordnet sind, wobei das Detektionsmittel zum Vergleichen der rückgestreuten Intensitäten bei den Wellenlängen angeordnet ist, um individuelle Partikel zu charakterisieren.

17. Verfahren zum Analysieren von in einem fluiden Medium enthaltenen Partikeln, wobei eine wie in den Ansprüchen 1-16 oder 19-25 definierte Vorrichtung verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der elektrischen Signalpulse zur Messung ausgewählt werden, die zu von dein Brennpunkt (84) ausgehenden rückgestreuten Lichtpulsen korrespondieren.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel ein Diskriminierungsmittel (206) aufweist, das zum Diskriminieren von in dem elektrischen Signal enthaltenen Pulsen angeordnet ist, welche eine Anstiegszeit oder Abfallzeit oberhalb einer vorbestimmten Schwelle aufweisen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektormittel (106) und das Detektionsmittel auf von Partikeln rückgestreutes Licht ansprechen, welche den Lichtstrahl (82) in dem Brennpunkt (84) unterbrechen, und von Partikeln rückgestreutes Licht diskriminieren, welche den Strahl vor oder hinter dem Brennpunkt unterbrechen und den Lichtstrahl teilweise okkludieren.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder Anspruch 20 in der Form eines Gehäuses (20) mit einem Fenster (30) in seiner äußeren Wand, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel zum Richten des Strahls (82) durch das Fenster zu einem außerhalb des Fensters angeordneten Brennpunkt (84) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel ein Mittel (360-368) zum Erzeugen eines integrierten Amplitudensignals aufweist, das eine zu der mittleren Amplitude des elektrischen Signals korrespondierende Größe aufweist, und worin das Beleuchtungsmittel ein Mittel (76, 80) zum Einstellen der Distanz zwischen dem Brennpunkt (84) und dem Fenster (30) aufweist, um zu ermöglichen, daß die integrierte Signalamplitude maximiert wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, die weiter ein Scanningmittel (112) zum Scannen des Brennpunkts (84) durch das fluide Medium umfaßt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, worin das Photodetektormittel einen Photodetektor und ein Lichtleitfaserkabel (472) zur Rückleitung umfaßt, welches ein zum Empfangen von durch in dem Brennpunkt (462) des optischen Systems befindliche Partikel rückgestreutem Licht angeordnetes erstes Ende und ein mit dem Photodetektor verbundenes zweites Ende aufweist, und worin die Vorrichtung in (i) einen eigensicheren Fühler (45), der das optische System (458) umfaßt und keine elektrischen Komponenten aufweist, und (ii) einen Kontroller (452) unterteilt ist, der die Laserdiode (464), den Photodetektor (466) und das Detektionsmittel umfaßt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, worin das Beleuchtungsmittel zum Emittieren bei zwei verschiedenen Wellenlängen und das Photodetektormittel (574, 576) zum Detektieren rückgestreuter Lichtpulse der beiden Wellenlängen angeordnet sind, wobei das Detektionsmittel zum Vergleichen der rückgestreuten Intensitäten bei den Wellenlängen angeordnet ist, um individuelle Partikel zu charakterisieren.