DE69722942T2

DE69722942T2 - Detektion gefährlicher schwebender fasern

Info

Publication number: DE69722942T2
Application number: DE69722942T
Authority: DE
Inventors: Henry Paul KAYE; Edwin Hirst
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1996-09-14
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: DE69722942D1; GB2317228B; WO1998011422A1; JP2001502417A; GB2317228A; AU4124797A; EP0925493B1; GB9718675D0; US6606157B1; EP0925493A1; GB9717469D0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung beschreibt ein neues Instrument, mit dem potentiell gefährliche einzelne schwebende Fasern, wie diejenigen von Asbest, in Echtzeit innerhalb einer Umgebung erfasst werden können. Das Instrument verwendet eine schnelle Analyse des räumlichen Laserstreuprofils (d. h. der komplexen Vorgehensweise, mit der einzelne Partikel Laserlicht streuen), das von einzelnen schwebenden Partikeln aufgezeichnet wird, als eine Einrichtung zum Klassifizieren der Partikel im Hinblick auf deren morphologische Charakteristiken. Das Instrument beinhaltet einen speziell vorgesehenen Detektorfeldchip, um die räumlichen Streuprofile von einzelnen Partikeln bei hohen Durchsatzraten aufzuzeichnen, und speziell vorgesehene elektronische Verarbeitungsroutinen, um die mögliche Anwesenheit von gefährlichen Fasern festzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die in-situ Erfassung von potentiell gefährlichen Fasern, die eingeatmet werden können, hat zunehmende Bedenken in industrialisierten Ländern hervorgerufen, da die Gesundheitsrisiken in Verbindung mit diesen Fasern umfassender verstanden werden. Die am häufigsten angetroffenen gefährlichen Fasern sind von Asbestmaterialien, die trotz eines weitreichenden Verbots hinsichtlich ihrer Verwendung über viele Jahre noch in großen Mengen in öffentlichen und kommerziellen Gebäuden und Fabrikanlagen überall in der Welt vorhanden sind. Das am meisten abundante Asbestmaterial, Chrysotil (oder weißes) Asbest, ist in über 95% von diesen Installationen vorhanden. Die zweithäufigste angetroffene Vielfalt ist Krokydolith (oder blaues) Asbest, wobei Amosit (oder braunes) Asbest eine dritte, aber viel selterne Form, ist. Krokydolith und Amosit gehören zu der Amphibolen-Klasse und sind durch feinen geraden nadelförmigen Fasern charakterisiert, die erzeugt werden, wenn das Material zerstoßen wird. Chrysotil-Asbest gehört zu der Serpentinen-Klasse von Mineralien und wird durch eine natürliche Krümmung in den Fasern charakterisiert, die es produziert. Alle drei Materialien erzeugen Fasern, die tief in die Lunge eindringen können und die wegen ihrer Form dort eingefangen werden. Von Krokydolith und Amosit Fasern ist bekannt, dass sie weitaus krebserregender als diejenigen von Chrysotil-Asbest sind, und obwohl die genauen Ursachen dafür noch nicht bestätigt sind, wird angenommen, dass die halbe Lebensdauer der Fasern in der Lunge (eine Funktion der Fähigkeit des Körpers die Fasern chemisch aufzulösen) eine Hauptrolle spielt, da diese Dekaden von amphibolen Fasern im Vergleich mit Monaten für Chrysotil Fasern gemessen werden kann.
Schwebende Asbestfasern sind ein starkes Gesundheitsrisiko. Peto et al. (Peto, J. Hodgson, J. T., Matthews, F. E. und Jones, J. R. The Lancet, 345, März 4, 535–539, 1995) heben z. B. die fortgesetzte Zunahme der mesotheliomatischen Sterblichkeit in Britannien als Folge der einatmungsfähigen Asbestfasern, die während Räumarbeiten oder routinemäßigen Gebäudewartungsarbeiten erzeugt werden, hervor. Die zweifelsfreie Bestätigung der Anwesenheit von schwebenden Asbestfasern innerhalb einer Arbeitsumgebung kann normalerweise nur durch die Verwendung einer Filterkassette erreicht werden, die schwebende Partikel sammelt, gefolgt von einer Elektronenmikroskopie, und um eine chemische Identität zu bestimmen, wird eine Technik wie eine energie-dispersive Röntgenstrahlanalyse verwendet. Diese Prozesse sind arbeitsaufwendig und teuer in der Durchführung und stellen, vielleicht noch wichtiger, Ergebnisse nur in vielen Stunden bereit, nachdem die Probensammlung und die mögliche Personalaussetzung aufgetreten ist. Mehrere Versuche sind bislang durchgeführt worden, um Verfahren zu entwickeln, mit denen eine Echtzeit- oder in-situ Erfassung von schwebenden Asbesten erreicht werden kann. Rood et al. [AP Rood, E J Walker und D Moore, "Construction of a portable fibre monitor measuring the differential light scattering from aligned fibres" in Proceedings of the International Symposium: Clean Air at Work, R H Brown, M Curtis, K J Saunders, und S Vandrendreissche, eds (Royal Society of Chemistry, London, 1992), Seiten 265–267] haben z. B. eine kostengünstige tragbare Faserüberwachungseinheit beschrieben, die an den UK Health & Safety Executive Laboratorien entwickelt wurde. Diese Einrichtung basiert auf der differenziellen Lichtstreuung, die von faserförmigen Partikeln erzeugt wird, die elektrostatisch in einer gleichförmigen Ausrichtung auf einem Glassubstrat angeordnet sind. Die Einrichtung ist in der Lage faserförmige Partikel zu erfassen, ist aber nicht dafür ausgelegt, um individuelle Partikel gestützt auf die Summation von Streusignalen von einer großen Anzahl von aufgebrachten Fasern, um ein detektierbares Signal zu erreichen, zu erfassen. Rood gibt an, dass die UK Räumungsgrenze für Asbest in Gebäuden von zehn Fasern pro Liter der Luft nach ungefähr 300 Minuten Probennahmezeit erfasst werden kann. Dies stellt deshalb nicht eine Echtzeit-Erfassungstechnik bereit.
Ein anderes Beispiel ist die vergleichsweise häufig verwendete FAM-7400 Fibrous Aerosol Monitor (Mie Inc. Bedford, Massachusetts) Einheit, die ursprünglich von Lilienfeld et al. entwickelt wurde (Lilienfeld, P., Elterman, P., und Baron P. A. Ind. Hyg. Assoc. J. 40, 4, 270–282, 1979). Dieses Instrument zieht Luft, die die schwebenden Partikel enthält in eine Laserstreukammer, wo die Partikel entlang einer horizontalen Glasröhre getragen werden, die koaxial zu einem beleuchtenden Laserstrahl ist. Die Partikel bleiben in dem Strahl für eine vergleichsweise lange Periode von ungefähr 0,1 Sekunden und viele Partikel können gleichzeitig beleuchtet bzw. bestrahlt werden. Um die Glasröhre herum befindet sich eine Vierfachelektrodenanordnung. Durch Anlegen eines sich zeitlich verändernden Signals an die Elektroden bewirkt das elektrische Feld innerhalb der Röhre, dass elektrisch leitende Fasern, die in der Luftströmung vorhanden sind, oszillieren. Die sich ergebende zyklische Veränderung des von den Fasern gestreuten Lichts an einem Lichtdetektor auf der Seite der Kammer wird verwendet, um die Faserkonzentration in der Luft auszuwerten. Die FAM-7400 Einheit weist mehrere Beschränkungen auf (die z. B. in "Aerosol Measurement", von Willeke K. und Baron P. A., Van Nostrand Reinhold, 1993, Seiten 403–408 beschrieben wird): ihre Probenvolumen-Strömungsrate durch den Laserstrahl ist sehr gering, was zu vergleichsweise langen Antwortzeiten bei geringen Faserkonzentrationen führt (wobei typischerweise 10 Minuten zum Zählen von 10 Fasern bei einer Konzentration von 0,1 Fasern/ml benötigt werden); sie kann unter Umständen Fasern als nicht-faserförmige Partikel klassifizieren, die hier möglicherweise gerade in dem angelegten elektrischen Feld oszillieren; da mehr als eine Faser in dem Strahl zu einer gegebenen Zeit vorhanden ist, kann sie die Anzahl von Fasern nur durch die Größe des Oszillationssignals abschätzen und dies erfordert einige Annahmen über die Größen der vorhandenen Fasern; und sie weist eine verringerte Empfindlichkeit für Fasern auf, die eine natürliche gekrümmte Morphologie aufzeigen, wie die am besten bekannte Asbestform Chrysotil.
RÄUMLICHE LASERSTREUPROFILE
In der Theorie enthält die ausführliche räumliche Intensitätsverteilung von Licht, das von einzelnen Partikel gestreut wird (das Streuprofil), eine Information, die sich u. a. auf die Größe der Partikel, deren Form und deren Orientierung im Hinblick auf die einfallende Bestrahlung bezieht. Die hier berichtete Erfindung zielt darauf ab diese Tatsache im Hinblick auf eine Unterscheidung von einzelnen einatmungsfähigen gefährlichen Fasern, wie Asbest, in Echtzeit von anderen Partikeln innerhalb einer Umgebung auszunutzen.
Die meisten optischen Streuinstrumente, die für eine Partikelzählung und/oder Größenbemessung verwendet werden, sind auf die Sammlung des gestreuten Lichts mit einem einzelnen diskreten Detektor gestützt. Derartige Instrumente können Information über die Partikelform nicht bereitstellen und nehmen in der Tat normalerweise an, dass sämtliche gemessenen Partikel kugelförmig sind, wenn ihnen ein Größenwert zugerechnet wird. Wenn ein kleine Anzahl von diskreten Detektoren verwendet wird ist bei jeder Sammlung von Licht über einen anderen festen Winkel innerhalb der Streukugel um das Partikel herum, eine gewisse Form- sowie eine Größeninformation erhältlich. Dieses Prinzip wird in einer Anzahl von patentierten Instrumenten verkörpert, die als Stand der Technik angesehen werden: ("Portable Particle Analysers", Ludlow, I. K. und Kaye P H. European Patent EP 0 316 172 , Juli 1992; "Portable Particle Analysers Having Plural Detectors", Kaye P H und Ludlow I K United States Patent Nr.: 5,043,591 August 1991. "Particle Asymmetry Analyser having Sphericity Detectors", Kaye, P. H. und Ludlow, I. K. United States Patent Nr.: 5,089,714, Februar 1992; "Particle Asymmetry Analyser", Ludlow, I. K. und Kaye, P. H. European Patent EP 0 316 171 , September 1992; "Analyses of Particle Characteristics", Kaye, P. H. und Hirst, E. UK Patent GB 2278679B).
Um jedoch eine genauere Information im Bezug auf die Partikel-Morphologie zu extrahieren, die zu einer Partikelunterscheidung beitragen kann, muss die räumliche Intensitätsverteilung des Lichts, das von dem Partikel gestreut wird, genauer bestimmt werden. Wenn ein Partikel durch einen kollimierten Lichtstrahl, wie mit demjenigen von einem Laser, bestrahlt wird, wird es Licht in sämtliche Richtungen streuen. 1 zeigt Beispiele der Vorwärtsstreuung (d. h.: unter 35° zu der einfallenden Strahlrichtung), die von verschiedenen Typen von Partikeln aufgezeichnet wird. Diese Bilder wurden unter Verwendung eines Laserstreuinstruments aufgezeichnet, das mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer intensivierten ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD) ausgerüstet war, um die Lichtstreudaten aufzuzeichnen. In dem Instrument werden die schwebenden Partikel durch einen Beleuchtungsstrahl in einer einzelnen Reihe durch ein Zuführungssystem mit einem laminaren Fluss getragen. Die Partikel wurden mit einem 5-mW, 670 nm Diodenlaser beleuchtet. Dieses Zuführungssystem führt eine Auferlegung von aerodynamischen Kräften auf die Partikel aus, die bewirken, dass sich faserförmige oder längliche Partikel vorzugsweise mit ihrer langen Achse parallel zu dem Fluss (der Strömung), d. h. orthogonal zu dem Laserstrahl, ausrichten. Die Kamera fängt die Verteilung von Licht, das von dem Partikel gestreut wird, überall in dem Winkelbereich von 5° bis 35° zu der beleuchtenden Strahlrichtung ein.
Die Streuprofilbeispiele, die in 1 angeführt sind, werden von einer typischen Hintergrundluft im Freien (die eine Vielfalt von Partikeltypen enthält, einschließlich von Tröpfchen unregelmäßigen kubischen Partikeln, und gelegentlichen faserförmigen Partikeln); aus Krokydolith (oder blauem) Asbest; und von Chrysotil (oder weißem) Asbest aufgezeichnet werden. Weil längliche Partikel eine Tendenz aufweisen, sich innerhalb der Luftströmung (die in den gezeigten Beispielen vertikal war) auszurichten, weisen die Fasern somit eine Tendenz auf den Laserstrahl vertikal zu durchqueren, mit der Folge, dass die Streuung vorwiegend in der horizontalen Ebene ist, wie in den Krokydolith und Chrysotil Beispielen der 1 dargestellt. Die in 1 dargestellten Daten illustrieren die Vorgehensweise, mit der Streuprofile verwendet werden können, um zwischen Partikelarten, wie verschiedenen Asbestfasern, die sehr charakteristische morphologische Merkmale aufzeigen, zu unterscheiden, da sie sich eng auf die Morphologie oder die Form der Partikel beziehen, die sie erzeugt haben.
Typische Streuprofile von Hintergrundpartikeln, die in der oberen Zeile der 1 gezeigt sind, erzeugen sehr verschiedenartige Profile mit wenigen interpretierbaren Merkmalen, da die Partikel, die sie erzeugt haben allgemein von einer unregelmäßigen kompakten Form sind. Im Gegensatz dazu zeigen die Profile, die von Krokydolith Fasern erzeugt werden und die in der mittleren Zeile gezeigt sind, deutlich unterscheidbare Merkmale auf: Die Profile sind allgemein in der Form eines horizontalen Balkens einer Streuung, die durch die Mitte des Profils geht. Die nahezu horizontale Form ist das Ergebnis der im Wesentlichen vertikalen Orientierung der Faser in dem Laserstrahl. Die Streuung ist sehr lokalisiert als Folge der charakteristischen nadelförmigen Gestalt der Krokydolith Fasern, wobei im Grunde genommen das gesamte gestreute Licht innerhalb eines im Wesentlichen horizontalen Balkens liegt. Die Gesamtmenge des gestreuten Lichts kann in erster Näherung mit der Größe (dem Volumen) der Streufaser und die Dicke des Streubalkens mit dem Längen-zu-Dicken-Aspektverhältnis der Faser (Faser mit einem Aspektverhältnis erzeugen dünnere Streubalken) in Beziehung gesetzt werden. Es ist deshalb aus jedem Profil möglich sowohl die Größe als auch die Form der Faser, die sie erzeugt hat, abzuschätzen und diese Information ist von großer Wichtigkeit bei der Überwachung von gefährlichen einatmungsfähigen Fasern wie Asbest, da bekannt ist, dass diese Parameter den Bedrohungsgrad, der von den Fasern auf eine Einatmung hin auferlegt wird, stark beeinflussen.
Zusätzlich zeigt die untere Zeile der 1 die Streuung von Chrysotil Asbestfasern, die, da sie normalerweise gekrümmt sind, bewirken, dass die Streuprofile ein charakteristisches "Fliegen" Erscheinungsbild einnehmen. Hier ist die Streuung vorwiegend horizontal, aber die unterschiedlichen Neigungen in inkrementalen Schnitten der Faserlänge zu der einfallenden Beleuchtung (Bestrahlung) verursachen die feine divergente Struktur, die gezeigt ist. Die in 1 angeführten Beispiele illustrieren die Unterschiede in den Formen der Streuprofile, die für unterschiedliche Partikel-Morphologien existieren, und zeigen an, dass dieser Typ von Streuprofil die Möglichkeit (i) der Unterscheidung von Asbest-förmigen Fasern von schwebenden Hintergrund-Partikeln, (ii) der möglichen Unterscheidung zwischen serpentinenförmigen (gekrümmten) und amphibolen (geraden) Asbest-Fasern, wobei die letzteren eine höhere Krebsgefahr darstellen, und (iii) einer Abschätzung der Fasergröße und Form und deshalb der möglichen Gefahr, die bei einer Inhalation besteht, bietet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Faserdetektor-Aufbau vorgesehen, der umfasst:

(i) einen streuenden Kammerkörper;
(ii) eine Einrichtung zum Beleuchten des Partikelstrahls innerhalb des Kammerkörpers;
(iii) einen optischen Detektor, der dafür ausgelegt ist, um einen Teil des von jedem Partikel, das durch den beleuchteten Strahl tritt, gestreuten Lichts abzufangen und zu sammeln;
(iv) eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, um die Signale von dem optischen Detektor für jedes Partikel, das den beleuchteten Strahl durchquert, einzufangen und zu verarbeiten, wobei der optische Detektor ein Photodiodenfeld umfasst, das aus einem zentralen lichtundurchlässigen Gebiet, das von zwei oder mehreren ringförmigen Ringen von Detektorelementen umgeben ist, besteht und wenigstens einer der Ringe aus einer Vielzahl von Detektorelementen besteht, wobei jedes Element ein Segment des Rings ist, um eine Unterscheidung der Form jedes Partikels auf Grundlage der Lichtstreuung zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoraufbau ferner eine Einrichtung zum Ziehen von schwebenden Partikeln durch die Körperkammer umfasst, wobei die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass die Partikel eine Tendenz aufweisen sich in einer einzelnen Reihe mit der longitudinalen Achse der Partikel mit länglicher Form im Wesentlichen zu der Richtung der Luftströmung ausgerichtet zu bewegen; und das Photodiodenfeld ein zentrales lichtundurchlässiges Gebiet aufweist, das von den ringförmigen Ringen umgeben ist, und wenigstens zwei ringförmige Ringe segmentiert sind und die radialen Übergänge zwischen Detektorelementen oder Segmenten in aneinander angrenzenden ringförmigen Ringen phasenverschoben sind.

Diese Anordnung erlaubt die Echtzeitmessung von gefährlichen Partikeln in einer Arbeitsumgebung. Der spezielle Detektoraufbau erlaubt dies zum ersten Mal.
Vorzugsweise umfasst das Detektorfeld drei konzentrische ringförmige Ringe von Detektorelementen. Die Anordnungseinrichtung mit einem konzentrischen Feld erleichtert die Sammlung von Streudaten in einer leicht handhabbaren Form.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste oder innerste ringförmige Ring einen einzelnen Detektor und die zweiten und nachfolgenden ringförmigen Ringe bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Detektorelementen.
Da die radialen Übergänge zwischen Detektorelementen oder Segmenten in aneinander angrenzenden ringförmigen Ringen phasenverschoben sind, minimiert dies die Möglichkeit einer feinen Faserstreuung von länglichen Fasern, die vollständig entlang der "toten Zonen" zwischen aneinander angrenzenden Detektorelementen in sowohl den A als auch B segmentierten Ringen liegen, und der entsprechenden Möglichkeit, dass eine Fasererfassung beeinträchtigt werden könnte.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der optische Detektor drei ringförmige Ringe und die zwei äußersten Ringe sind in 16 Segmente oder Elemente aufgeteilt.
Vorzugsweise sind die ringförmigen Ringe von Detektorelementen in dem optischen Detektor im Wesentlichen kreisförmig. Eine kreisförmige Anordnung mit radialen Segmenten ist eine effiziente Anordnung zum Erfassen und Sammeln von gestreutem Licht.
Vorzugsweise beinhaltet die Datenverarbeitungseinrichtung einen Musterklassifizierer, der vorzugsweise ein neuronales Netz umfasst.
Vorzugsweise ist das neuronale Netz ein radiales neuronales Basisfunktion-Netz.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein optischer Detektor, geeignet zur Verwendung in einem Faserdetektor-Aufbau des fraglichen Typs, vorgesehen, umfassend ein Photodiodenfeld, das aus einem zentralen lichtundurchlässigen Gebiet besteht, das von zwei oder mehreren ringförmigen Ringen von Detektorelementen umgeben ist.
Vorzugsweise umfasst der erste oder innerste ringförmige Ring einen einzelnen Detektor und die zweiten und nachfolgenden ringförmigen Ringe bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Detektorelementen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die radialen Übergänge zwischen Detektorelementen und Segmenten in aneinander angrenzenden ringförmigen Ringen phasenverschoben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der optische Detektor 3 ringförmige Ringe und die zwei äußersten Ringe sind in 16 Segmente oder Elemente aufgeteilt.
Vorzugsweise sind die ringförmigen Ringe von Detektorelementen im Wesentlichen kreisförmig.
Um Zweifel auszuräumen, diese Erfindung umfasst den optischen Detektor als eine Gesamtheit mit selbstständigen Rechten zur Installation an existierenden Faserdetektoren. Diese Erfindung umfasst auch einen vollständigen Faserdetektor und ein Verfahren zum Erfassen von gefährlichen Fasern unter Verwendung der Detektoren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nur beispielhaft näher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 typische Streuprofile, die von individuellen Partikeln oder Fasern aufgezeichnet werden;
2 ein Faserdetektorsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 ein Detektorfeldchip mit 33 Elementen;
4 typische Antworten eines Faserdetektoraufbaus in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung für unterschiedliche Partikeltypen;
5 eine schematische Darstellung der Basiselemente eines RBF neuronalen Netzes;
6 eine graphische Darstellung des simulierten Betriebsverhaltens der in 3 gezeigten Detektorkonfiguration und des RBF neuronalen Netzes im Hinblick auf eine Klassifizierung von Partikeln aus bekannten Aerosolen; und
7 ein schematisches Diagramm des Ansammlungs- und Digitalisierungsprozesses für Lichtstreuungssignale, die von dem Detektorfeldchip abgeleitet werden, der in 3 gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft beschrieben. Diese Beispiele stellen die besten Vorgehensweisen bereit, die dem Anmelder bekannt sind, um die Erfindung in der Praxis umzusetzen, sind aber nicht die einzigen Vorgehensweisen, mit denen dies erreicht werden kann.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung einen Faserdetektor-Aufbau, der umfasst: einen streuenden Kammerkörper, eine Einrichtung zum Ziehen von schwebenden Umgebungspartikeln durch diesen Körper in einer eingeschränkten Weise derart, dass die Partikel sich im Wesentlichen in einer einzelnen Reihe bewegen und aerodynamischen oder anderen Kräften ausgesetzt sind, die in der Lage sind zu der Strömung vorzugsweise diejenigen Partikel zu orientieren, die eine längliche Morphologie oder Form aufzeigen, eine Einrichtung (gewöhnlicherweise ein Laser) zum Beleuchten dieser Partikelströmung orthogonal in einer derartigen Weise, dass Partikel unter normalen Umständen durch den beleuchtenden Strahl einzeln treten, eine Einrichtung zum Abfangen und Sammeln der Verteilung des Lichts, das von jedem Partikel gestreut wird, und zum Richten von diesen auf einen optischen Detektor ohne Verlust von Information, die sich auf die räumliche Verteilung der Intensität des Lichts, das von dem Partikel gestreut wird, bezieht, eine Einrichtung innerhalb des optischen Detektors zum Messen der breiten Mustermerkmale, die in der gestreuten Lichtverteilung enthalten sind, und eine Einrichtung zum elektronischen Verarbeiten dieser Information in einer derartigen Weise, um die Partikel-Morphologie, die sie erzeugt hat, mit bestimmter Hervorhebung der Erfassung und Charakterisierung von gefährlichen einatmungsfähigen Fasern, wie denjenigen von Asbest, zu charakterisieren und klassifizieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 2 gezeigt. Schwebende Partikel werden durch eine Streukammer von einer Pumpe 2 gesogen. Mit einem Filter 3 wird verhindert, dass Partikel die Pumpe verunreinigen. Die Proben-Luftströmung wird durch eine saubere gefilterte Luft 4 eingehüllt, mit der Folge, dass die Proben-Luftströmung bis zu dem Punkt verengt wird, an dem die schwebenden Partikel so eingeschränkt sind, dass sie sich im Wesentlichen in einer einzelnen Reihe bewegen. Die Proben-Luftströmung durchquert den Strahl von einer Lichtquelle 5, wobei die bevorzugte Ausführungsform ein Diodenlaser ist, obwohl andere Lichtquellen verwendet werden können. Die Optik 6 kollimiert und formt den Strahl in geeigneter Weise auf eine ellipsenförmige Form von ungefähr 2 mm Breite und 0,1 mm Tiefe an der Überschneidung mit der Partikelströmung. Die Überschneidung der Luftströmung und des Laserstrahls definiert das Streuvolumen. Einzelne Partikel in der Probenluft durchqueren den Laserstrahl und erzeugen Impulse von gestreutem Licht. Das Licht fällt auf ein Linsensystem 7 ein, welches Licht, das von dem Partikel zwischen Winkeln von ungefähr 4° und 30° zu der primären Strahlachse gestreut wird, auf einen speziell zugeschnittenen Detektorchip 8 abbildet, der die gestreute Lichtverteilung für jedes Partikel, das den Laserstrahl durchquert, aufzeichnet.
Das neue Fasercharakterisierungsinstrument beinhaltet die gewählte Detektorgeometrie als einen speziell vorgesehenen Photodiodenfeldchip. Der Chip weist einen Durchmesser von 11 mm auf und ist in einem kommerziellen Stiftgitter-Feld-Paket mit keinem abdeckenden Fenster angebracht. Der Laserausgang ist linear in der Ebene des Diagramms polarisiert. Der Strahlquerschnitt an der Überschneidung mit der Proben-Luftströmung weist eine Ellipsoid-Form auf, mit einer Breite von ungefähr 2 mm und einer Tiefe von 0,1 mm, was zu einer Partikeltransitzeit durch den Strahl von ~5 μs führt. Die Proben-Luftströmung durch die Einrichtung ist so eingestellt, dass sie 1 l/min ist. Weil Partikelbahnen durch den Strahl irgendwo innerhalb der horizontalen Querschnittsfläche der Proben-Luftsäule (mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm) auftreten könnten, ist die Streulicht-Einfangoptik so konstruiert, dass sichergestellt wird, dass derartige Partikelbahnveränderungen keine wesentliche Verschiebung des Streuprofilbilds auf dem Detektorfeld verursachen. Der zentrale Detektorring C empfängt Licht, das zwischen 4° und 10° zu der primären Strahlachse gestreut wird; die zweiten und dritten Ringe, B und A, empfangen Licht, welches zwischen 10° und 18° bzw. 18° und 28° gestreut wird.
Der Betrieb der Signalansammlung, Digitalisierung und der Pufferelektronik ist schematisch in 7 gezeigt. Wenn ein Partikel in den Laserstrahl eintritt, beginnt das Signal, das von dem zentralen ringförmigen Ring C empfangen wird, anzusteigen. Dieser Anstieg wird durch eine Partikelträger-Erfassungsschaltung gewählt, die eine Datenansammlung von den anderen 32 Detektorelementen initiiert. Diese Ansammlung wird durch zwei speziell angeordnete anwendungsspezifische integrierte Schaltungschips, die mit HX2 in 7 bezeichnet sind, erreicht. Diese Chips werden von den Rutherford Appleton Laboratories, Didcot UK hergestellt. Jeder HX2 Chip enthält 16 parallele Integratoren, die die Signale von den einzelnen Detektorelementen für die Dauer des Partikeltransits durch den Strahl integrieren. Die Chips halten dann diese analogen Signalwerte und multiplexieren sie seriell an Analog-zu-Digital-Wandler heraus. FIFO (zuerst-herein/zuerst-heraus; Silo-) Puffer speichern danach die digitalen Daten, 33 Werte pro Partikel, bevor sie bei einer optimalen Rate an das Datenverarbeitungssystem mit einem neuronalen Netz (auf Grundlage von dualen Motorola 68040 Prozessoren) für eine Partikelklassifizierung transferiert werden.
Um die Partikehnorphologie-Information zu verwenden, die in den Streuverteilungen des in Figur 1 gezeigten Typs enthalten ist, muss ein Instrument die im Wettstreit stehenden Anforderungen erfüllen (a) die Profile mit einer ausreichenden Auflösung zu bestimmen, um eine Erkennung der charakteristischen Mustermerkmale zu ermöglichen, und (b) nicht derart höchst detaillierte Information zu erzeugen, dass die schnelle Analyse von individuellen Partikeln und somit die Anwendung des Instruments für ein Echtzeit-Überwachungsszenarium wegen der exzessiven Datenverarbeitungsanforderungen ausgeschlossen wird. Die letztere Betrachtung kann durch das folgende Beispiel quantifiziert werden: die vorgeschriebene UK Grenze für Asbest-Fasern, die das Einschlussgebiet während Räumarbeiten verlassen, ist 10 Fasern pro Liter von Luft. Um diese Fasern in "Echtzeit", hier zu typischerweise 1 Minute genommen, zu erfassen, muss das Instrument sämtliche Partikel innerhalb 1 Liter von Luft innerhalb einer Periode von 1 Minute untersuchen. In einem typischen Räumbetrieb können unter Umständen 100.000 einatmungsfähige Staubpartikel und andere Partikel pro Liter von Luft vorhanden sein, und das Instrument muss deshalb in der Lage sein über 1.500 Partikel pro Sekunde, oder 1 Partikel in einem Bruchteil einer Millisekunde, zu untersuchen. Weil in der Realität Partikeldurchgänge durch das Instrument zufällig auftreten ist die echte Verarbeitungszeit, die benötigt wird, um zu vermeiden, dass ein Partikel während der Verarbeitung von Daten von dem vorangehenden Partikel "verpasst" wird, kleiner als 0,1 Millisekunden. Das Instrument sollte auch die Möglichkeiten aufweisen die Partikel einzeln durch den beleuchtenden Strahl zu führen und eine vorzugsweise Ausrichtung von länglichen Partikeln zu bewirken, um so die Interpretation der Streudaten zu unterstützen. Die gegenwärtige Erfindung ist in der Lage diese Kriterien für das Betriebsverhalten zu erreichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Detektors, die ein zweiter Aspekt der Erfindung ist, ist in Figur 3 gezeigt. Der Detektor würde typischerweise ein Photodiodenfeld sein, das auf einem einzelnen Silicium-Wafer wegen der Gründe einer Kompaktheit, Robustheit, dimensionsmäßigen Genauigkeit, und der Fähigkeit lichtempfindliche Gebiete mit irgendeiner gewünschten Form mit minimalen "toten Zonen" zwischen aneinander angrenzenden Detektorelementen, hergestellt wird. Der Detektor umfasst ein zentrales kreisförmiges Gebiet 10, das von drei ringförmigen Ringen 11, 12 und 13 umgeben ist. Das zentrale ringförmige Gebiet 10 ist gegenüber dem Einfallslicht undurchlässig, um so als ein Strahlstopper für den beleuchtenden Lichstrahl zu wirken. Der erste ringförmige Ring 11 ist kontinuierlich und wird an sich Streulicht empfangen, und zwar unabhängig davon, welche Orientierung das Partikel in dem Strahl hat (der Ausgang von diesen Detektorring kann für eine Partikelgrößen-Bestimmung verwendet werden). Der zweite Ring 12 ist in 16 Segmente aufgeteilt, wobei jedes ein Ausgangssignal proportional zu dem Licht ergibt, das auf dieses Segment 3 fällt. Der dritte Ring 13 ist in ähnlicher Weise in 16 Segmente aufgeteilt, aber die Übergänge zwischen aneinander angrenzenden Segmenten sind phasenverschoben zu denjenigen des zweiten Rings 12. Diese Phasendifferenz beseitigt die Möglichkeit, dass die feine Streuung von einer länglichen Faser für den Fall nicht erfasst wird, dass sie entlang der "toten Zone" zwischen Detektorsegmenten fällt. Für den Fall, dass die Streuung entlang der "toten Zone" des zweiten Rings fällt, würde sie unweigerlich innerhalb des aktiven Gebiets eines Segments innerhalb des dritten Rings fallen. Die zweiten und dritten Ringe stellen die räumliche Analyse der Streulichtverteilung, die auf den Detektor fällt, bereit.
Der in 3 gezeigte Detektor besteht aus drei im Wesentlichen kreisförmigen, ringförmigen Ringen, die segmentiert sind, wie in einer radialen Weise benötigt. Aber dies ist nicht die einzige Anordnung, die möglich ist. Konzentrische Ellipsen, Quadrate oder Rechtecke sind genauso möglich. Ferner kann/können ein oder mehrere zusätzliche Ringe von Detektorelementen hinzugefügt werden, wenn erforderlich. Es wird jedoch bevorzugt, dass die radialen Übergänge zwischen dem Detektorelementen oder Segmenten in aneinander angrenzenden Ringen zueinander versetzt oder phasenverschoben sind, wegen der angegebenen Gründe.
Für jedes Partikel, das durch den beleuchtenden Strahl tritt, erzeugt der Detektor deshalb 33 Ausgangswerte. Eine Analyse von diesen Werten ergibt die benötigte Charakterisierung des Partikels um die Identifikation und Klassifikation von faserförmigen Partikeln. 4 zeigt die typischen Ausgangswerte des Detektors vier Typen von Partikeln: (i) eine Krokydolith Faser mit einem hohen Aspektverhältnis mit einem folglichen dünnen Streubalken; (ii) eine Krokydolith Faser mit einem niedrigen Aspektverhältnis mit einem dickeren Streubalken; (iii) eine Chrysotil Faser, die eine charakteristische "Fliegen" Form für die Streuung ergibt; und (iv) ein Hintergrundluft-Partikel. Mit der Krokydolith Faserstreuung mit einem hohen Aspektverhältnis zeigen die zweiten und dritten Detektoninge 12 und 13 jeweils zwei ausgeprägte schmale Spitzen 14 in Übereinstimmung mit der schmalen Streuverteilung, wie in 4 gezeigt, auf, während der erste Ring 11 einen einzelnen Wert proportional zu der Fasergröße ergibt. Mit der Streuung der Krokydolith Faser mit einem geringen Aspektverhältnis zeigt der zweite Detektoning 12 zwei Spitzen 15 mit einer größeren Breite als für den Fall mit dem hohen Aspektverhältnis auf, während der dritte Ring 13 in ähnlicher Weise zwei Spitzen erzeugt, obwohl diese schmaler sind als diejenigen in dem zweiten Ring 12 in Übereinstimmung mit der Anzahl von Segmenten innerhalb jedes Rings, die von dem Streulicht bestrahlt werden. Wiederum ergibt der erste Ring 11 einen einzelnen Wert proportional zu der Fasergröße. Die Chrysotil Faser erzeugt ein Ergebnis, welches von demjenigen der Krokydolith Faser mit dem geringen Aspektverhältnis auf Grundlage der Tatsache unterschieden werden kann, dass die Breiten der zwei Spitzen 16 in dem zweiten Ring 12 gleich zu den Breiten der zwei Spitzen 17 in dem dritten Ring 13 sind, anstelle dass sie größer wie in dem ersteren Fall sind. Das Hintergrundpartikel führt zu keinen unterscheidbaren Spitzen entweder in dem zweiten oder dem dritten Detektoning. Die Detektorausgänge enthalten deshalb eine Information, die verwendet werden kann, um faserförmige Partikel von nicht-faserförmigen Partikeln zu unterscheiden, um gerade von gekrümmten Fasern zu unterscheiden, um ein Faseraspektverhältnis auszuwerten und um eine gesamte Fasergröße auszuwerten.
Die Daten von dem Detektor müssen schnell verarbeitet werden, um eine Partikelklassifizierung hervorzubringen, wie voranstehend diskutiert, um die Anforderung für einen Instrumentenbetrieb in Echtzeit zu erfüllen. Diese Verarbeitung kann durch eine elektronische Einrichtung unter Verwendung einer Anzahl von üblichen mathematischen Klassifizierungsverfahren ausgeführt, die ein Normalverteilungsverfahren (Normal Distribution Method), ein lineares Diskriminantenverfahren (Linear Discriminant Method), oder ein K-Nearest Neighbows Method (K-nächste Nachbarn Verfahren) (die alle z. B. in "Pattern Classification and Scene Analysis" von Duda R,. O. und Hart P. E. Eiley Interscience 1973 beschrieben sind) einschließen, oder durch Verwendung eines Mustererkennungsverfahrens mit einem künstlichen neuronalen Netz (das z. B. in "Neural Networks for Pattern Recognition" von Bishop C. M., Oxford Univ. Press 1995) beschrieben ist.
Das Radial-Basis-Funktions- (Radial Basis Function) oder RBF-Netz ist ohne Zweifel eines der einfachsten Formen eines künstlichen neuronalen Netzes. Es ist auf die Verwendung von Trainingsdaten gestützt, wobei in dem vorliegenden Fall diese Beispielsätze von 100 Streumustern für jede der Partikelklassen sind, die hier unterschieden werden sollen. Die Trainingsdaten führen zu definierten Bereichen des mathematischen Hypenaums entsprechend zu den gewählten Klassen. Wenn neue Daten (ausgedrückt als ein Eingangsvektor), die von einem nicht bekannten Partikel abgeleitet werden, dem Netz eingegeben werden, wertet das Netz den Abstand zwischen diesem Eingangsvektor und seinen vordefinierten Klassendatenbereichen aus und zeigt an, mit welcher Klasse das nicht bekannte Partikel am besten übereinstimmt.
Das RBF Netz weist eine Architektur auf, die aus nur einer versteckten Schicht besteht, wie in 5 dargestellt. In dem vorliegenden Fall stellen die Eingänge, die mit χ₁ bis χ_n bezeichnet sind, die Werte der Lichtstreudaten entweder von dem A oder B Detektoning dar; diese werden unabhängig durch das Netz verarbeitet, um so eine Wahlmöglichkeit für das Klassifikationsergebnis zu ermöglichen. Nur wenn beide Prozesse zu der gleichen dafür vorgesehenen Klassifikation geführt haben wird ein Partikel (welches so beurteilt wird, dass es den höchsten linearen Summationsausgangswert aufweist) das Partikel, das dieser Klasse zugeschrieben wird (die als Klasse 1, 2 etc. in Figur 5 gezeigt ist). Wenn eine Diskrepanz bei den Klassifikationsergebnissen von den zwei Detektorringen vorhanden ist, dann wird das Partikel in die niedrigere der zwei Klassen klassifiziert.
Die versteckte Knoten ω₁ bis ω_n sind RBFs, die die folgende Form annehmen: ω1(||χ – χ1||) (1)wobei ω_i(•) eine nicht-lineare Funktion des Abstands zwischen dem Eingangsvektor χ (basierend auf den Detektorringwerten für das nicht bekannte Partikel) und dem i-ten Zentrumsvektor χ_i (der den Hyperraum-Bereich entsprechend zu jeder vorgeschriebenen Partikelklasse markiert) ist. Die Netzausgangsvektorklasse ist einfach die lineare Summation der gewichteten Basisfunktionen.
wobei die Gewichtungen für jede Klasse ω_1l, ω_2l,...bis ω_kn durch die Trainingsdaten festgestellt worden sind. In diesem Fall wurden die RBFen so gewählt, dass sie Gauss-förmig sind, ein üblicherweise verwendeter Ansatz und einer, der gute Klassifikationsergebnisse hervorbrachte. Die Funktionen waren in der Form:
wobei d ein konstanter Bandbreitenparameter ist.
6 fasst das simmulierte Klassifikations-Betriebsverhalten der bevorzugten Detektorgeometrie und das RBF Analyseverfahren zusammen. Einige 10.000 Beispiele von Streuprofilen, die von bekannten Aerosolen von jeder der drei gewählten Partikeltypen (Chrysotil, Krokydolith, und Hintergrund) aufgezeichnet wurden, wurden verarbeitet und in ihrer jeweiligen Klasse klassifiziert. Idealerweise sollten 100% des jeweiligen Eingangstestdatentyps in seine korrekte Partikelklasse klassifiziert werden. In der Praxis wurden über 99% von Hintergrund-Partikeln richtig als Hintergrund klassifiziert, wobei 0,1% fehlerhaft als Chrysotil Partikel klassifiziert wurde und 0,6% fehlerhaft als Krokydolith klassifiziert wurde. Diese Zahlen einer fehlerhaften Klassifikation sind das Ergebnis von Nicht-Asbest-Fasern innerhalb der Hintergrund-Probe, die Streuprofile erzeugen, die ausreichend ähnlich zu den Extremen der Chrysotil oder Krokydolith Klassen sind, dass sie als solche klassifiziert wurden. Sie stellen deshalb einen Schwellenpegel dar, mit dem tatsächliche Faserkonzentrationsmessungen verglichen werden müssen. In ähnlicher Weise wurden über 80% von Krokydolith und 70% von Chrysotil Partikel richtig klassifiziert. Die fehlerhafte Klassifikation des Rests dieser Partikel in die Hintergrund-Klasse ist unvermeidbar, wenn die Laserstreutechnik verwendet wird, weil einige Krokydolith oder Chrysotil Partikel aerosolisiert als unregelmäßige Klumpen von Faseransammlungen sind, die eine charakteristische Faserstreuung nicht hervorbringen. Die Folge wird die Unterschätzung der echten Asbest-Faserkonzentration irgendeine kleine Marge sein, obwohl dies parallel zu den Entscheidungsprozessen ist, die während der standardmäßigen Phasenkontrastlicht-Mikroskopfilterproben-Zähltechnik auftreten.
Um das Betriebsverhalten des Maschinen-implementierten neuronalen Netzes gegenüber Ergebnissen auszuwerten, die durch eine manuelle Klassifikation erreicht werden, wurden Experimente unter Verwendung von Aerosolen ausgeführt, die gemischte Partikeltypen enthalten. Für jedes Aerosol wurden Daten im Bezug auf 3.000 Partikel klassifiziert, zunächst durch eine visuelle Untersuchung durch einen ausgebildeten Freiwilligen, und zweitens durch Verwendung des Klassifizierers mit dem RBF neuronalen Netz. Die Daten wiesen die Form ähnlich zu derjenigen, die in 4 gezeigt ist, auf. Weil diese gemischten Aerosole Krokydolith, Chrysotil, und Hintergrund-Partikel enthielten und es bekannt war, dass eine gewisse Überlappung in den Streucharakteristiken von diesen Materialien unvermeidbar war (wie in 6 dargestellt), waren die Klassifikationen, die verwendet wurden, Höchstrisiko-Fasern (diejenigen, die vorwiegend Krokydolith-artige Streumerkmale anzeigen), Mittelrisiko-Fasern (diejenigen, die vorwiegend Chrysotil-artige Streumerkmale anzeigten), und andere Partikel. Die Tabelle 1 fasst die Ergebnisse für ein derartiges gemischtes Aerosol zusammen, wobei die starke Ähnlichkeit des Klassifikations-Betriebsverhaltens zwischen maschinengestützen und manuellen Klassifikationen dargestellt ist: – wobei der stärkste Unterschied darin besteht, dass die manuelle Klassifikation mehrere Stunden benötigte (ähnlich zu denjenigen, die für eine Phasenkontrast-Lichtmikroskop-Faserzählung bei Filtern benötigt wird), wohingegen die Maschinenklassifikation nur Sekunden benötigte.
Tabelle 1. Zusammenfassung der Klassifikation von Streuprofildaten von einem gemischten Aerosol, das Krokydolith, Chrysotil, und Hintergrund-Partikel enthält.
"Die Klassifikation wurde sowohl durch eine visuelle Untersuchung von graphischen Daten (ähnlich zu denjenigen, die in 4 gezeigt sind) als auch durch eine Analyse mit dem RBF neuronalen Netz erreicht. Fasern mit einem hohen Risiko sind diejenigen, die Krokydolith-artige Streuprofile anzeigen; Fasern mit einem mittleren Risiko sind diejenigen, die eine Chyrsotil-artige Streuung anzeigen".
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Analyse unter Verwendung einer linearen Diskriminantentechnik (Linear Discriminant Technik) ist wie folgt: für jede gewünschte Partikelklasse (z. B. Fasern mit einem hohen Aspektverhältnis, Fasern mit einer niedrigen Aspektverhältnis, gekrümmte Fasern, Hintergrund-Partikel, etc.), wurden fünfzig Beispiele von typischen Streudaten, wie in 4 gezeigt, manuell gewählt, um die "Schablonen" für die gewünschten Klassen zu werden. Die Daten von dem zweiten Ring 12 werden unabhängig von denjenigen des dritten Rings 13 verarbeitet, um so ein Klassifikations-Betriebsverhalten zu verbessern, wie nachstehend beschrieben. Für jede Partikeldaten wird die Fourier-Transformation (FT) der sechzehn Datenausgänge des zweiten Detektonings 12 berechnet. Diese Fourier-Transformation entfernt Musterdrehungsabhängigkeiten in der Profilinformation, die ansonsten eine Klassifikation schwieriger machen würden. Die FT Daten für jedes Partikel in dem Satz von fünfzehn Partikeln einer gegebenen Klasse werden dann verwendet, um in dem Hyperraum (Hyperspace) die Verteilung von Punkten festzustellen, die diese Klasse beschreiben (siehe Duda und Hart für eine ausführliche Erläuterung). Dies wird für jede gewünschte Partikelklasse wiederholt.
Wenn Daten von einem nichtbekannten Partikel erhalten werden, dann wird die FT für die Ausgänge des zweiten Detektonings 12 berechnet und eine lineare Diskriminanten-Funktion (Linear Discriminant Function) dann berechnet, um die Wahrscheinlichkeit auszuwerten, dass dieses Partikel zu irgendeiner der Klassen gehört, für die "Schablonen" existieren. Das Partikel wird der Klasse zugerechnet, zu der es am besten passt. Ein ähnlicher Prozess wird mit den Ausgangsdaten ausgeführt, die sich von dem dritten Detektoning 13 ergeben, und eine übereinstimmende Klasse wird unter Verwendung auch dieser Daten bestimmt. Nur wenn die gleiche Klasse von den Daten von dem zweiten Detektorring 12 und dem dritten Detektoning 13 angezeigt wird, wird das Partikel schließlich dieser Klasse zugerechnet. Wenn die Daten von den zwei Ringen unterschiedliche Klassen hervorbringen, dann wird das Partikel als ein "Hintergrundluft"-Partikel klassifiziert. Dieses Wählverfahren verbessert die Genauigkeit der Partikelklassifikation und verringert die Möglichkeit einer falschen Klassifizierung von harmlosen Hintergrundluft-Partikeln als gefährliche einatmungsfähige Fasern.
Schließlich werden die Partikel-Klassifikationsdaten mit denjenigen von sämtlichen anderen Partikeln, die innerhalb dieser Zeitperiode, typischerweise 5 Sekunden, gesammelt werden, zusammengestellt und das kumulative Ergebnis wird dem Benutzer als ein Partikelklassenkonzentrationshistogram angezeigt. Das Histogram wird somit in Intervallen von 5 Sekunden aktualisiert, um eine Echtzeit-Anzeige über die Anwesenheit oder ansonsten von gefährlichen einatmungsfähigen Fasern bereitzustellen.
Das Format des optischen Detektors und das Verfahren zum Behandeln von Daten von dem Feld von Sensoren innerhalb des Detektors sind Kernmerkmale dieser Erfindung. Sie stellen zum ersten Mal ein Detektorfeld und somit einen Faserdetektor bereit, der gefährliche Fasern an dem Arbeitsplatz in einem nützlichen Zeitrahmen erfassen kann, der Arbeitspersonen über die Anwesenheit einer Gefahr alarmieren wird, wenn sie sich ergibt.
Um Zweifel auszuräumen, diese Anmeldung ist dafür vorgesehen, um einen optischen Detektor, wie voranstehend beschrieben, als eine diskrete Einheit, sowie einen vollständigen Detektor-Aufbau, der einen Detektor des fraglichen Typs enthält, zu umfassen. Ein derartiger optischer Detektor könnte für einen Detektor-Aufbau des herkömmlichen Typs ersetzt werden, um dessen Betriebsverhalten zu erhöhen. Ein derartiger Detektor könnte auch eine andere Anwendung in Gebieten haben, wo eine Notwendigkeit zum Charakterisieren von Partikelarten hinsichtlich der Größe und/oder morphologischer Parameter besteht. Diese umfassen eine Umweltüberwachung von Gichtgas-Emissionen, Fahrzeug-Auspuffgasen, verschiedenen schwebenden biologischen Partikeln wie Pollen, Pilzsporen oder Bakterien (in Umgebungen, in Räumen sowie im Freien); die Charakterisierung von Pulverprodukten wie keramischen Pulvern, Farbpigmenten oder pulverisierten Lebensmitteln. Andere Gebiete können eine Flüssigkeits-gestützte Partikelcharakterisierung umfassen, einschließlich der Analyse von: der Anwesenheit von festen, flüssigen oder Luftblasen, die in einer Suspension in hydraulischen Flüssigkeiten getragen werden (was die Effizienz des hydraulischen Systems beeinträchtigen kann und in einigen Fällen ein Vorläufer eines katastrophalen mechanischen Systemausfalls sein können, wie in Hubschraubergetrieben und Steuersystemen); die Anwesenheit von biologischen Organismen in Wasser, insbesondere das bakterielle neue Wachstum in den Auslässen von Wasserverarbeitungsanlagen für den häuslichen und industriellen Verbrauch; die Anwesenheit von Teilchen in höchst gereinigten Flüssigkeiten, wie denjenigen zur Verwendung in medizinischen intravenösen Anwendungen oder bei der industriellen Verarbeitung, bei der Teilchen vermieden werden sollen (wie in der Mikroelektronik oder der pharmazeutischen Herstellung); der Anwesenheit von Partikeln aus Rost oder anderen Festkörpern und Tröpfchen von Wasser, die in einem Kraftstoff getragen werden (wie Flugbenzin auf Petroleumbasis, Benzin, Diesel, etc.), die eine Maschinenfehlzündung oder einen eventuellen Ausfall verursachen können. Diese Liste ist nicht erschöpfend, sondern zeigt den Bereich von Anwendungsgebieten an, wo die Erfindung in nützlicher Weise für eine Partikelcharakterisierung verwendet werden könnte.

Claims

Detektoraufbau, geeignet zum Detektieren von Fasern, umfassend: (i) einen streuenden Kammerkörper; (ii) eine Einrichtung (5) zum Beleuchten des Partikelstrahls innerhalb des Kammerkörpers; (iii) einen optischen Detektor (8), der dafür ausgelegt ist, um einen Teil des von jedem Partikel, das durch den beleuchtenden Strahl tritt, gestreuten Lichts abzufangen und zu sammeln; (iv) eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, um die Signale von dem optischen Detektor für jedes Partikel, das den beleuchtenden Strahl durchquert, einzufangen und zu verarbeiten, wobei der optische Detektor (8) ein Fotodiodenfeld (8) umfasst, das aus einem zentralen lichtundurchlässigen Gebiet (10), das von zwei oder mehreren ringförmigen Ringen (11, 12, 13) von Detektorelementen umgeben ist, besteht und wenigstens einer der Ringe aus einer Vielzahl von Detektorelementen besteht, wobei jedes Element ein Segment des Rings ist, um eine Unterscheidung der Form jedes Partikels auf Grundlage der Lichtstreuung zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektoraufbau ferner eine Einrichtung (2, 4) zum Ziehen von schwebenden Partikeln durch die Körperkammer umfasst, wobei die Einrichtung derart ausgelegt ist, dass die Partikel eine Tendenz aufweisen sich in einer einzelnen Reihe mit der longitudinalen Achse der Partikel mit länglicher Form im Wesentlichen zu der Richtung der Luftströmung ausgerichtet zu bewegen; und das Fotodiodenfeld ein zentrales lichtundurchlässiges Gebiet (10) aufweist, das von den ringförmigen Ringen umgeben ist, und wobei wenigstens zwei ringförmige Ringe (12, 13) segmentiert sind und die radialen Übergänge zwischen Detektorelementen oder Segmenten in aneinander angrenzenden ringförmigen Ringen phasenverschoben sind.
Detektoraufbau nach Anspruch 1, wobei der Detektoraufbau (8) drei konzentrische ringförmige Ringe (11, 12, 13) von Detektorelementen umfasst.
Detektoraufbau nach Anspruch 1, wobei der erste oder innerste ringförmige Ring (11) einen einzelnen Detektor umfasst und der zweite und nachfolgende ringförmige Ringe (12, 13) aus jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen bestehen.
Detektoraufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der optische Detektor drei ringförmige Ringe (11, 12, 13) umfasst und die zwei äußersten Ringe (12, 13) in 16 Segmente oder Elemente aufgeteilt sind.
Detektoraufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die ringförmigen Ringe (11, 12, 13) von Detektorelementen in dem optischen Detektor im Wesentlichen kreisförmig sind.
Detektoraufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung einen Musterklassifizierer umfasst.
Detektoraufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Musterklassifizierer ein neuronales Netz umfasst.
Detektoraufbau nach Anspruch 7, wobei das neuronale Netz ein radiales neuronales Basisfunktion-Netz ist.
Optischer Detektor, geeignet zur Verwendung in einem Detektoraufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, umfassend ein Fotodiodenfeld (8), das aus einem zentralen lichtundurchlässigen Gebiet (10) besteht, das von zwei oder mehreren ringförmigen Ringen (11, 12, 13) von Detektorelementen umgeben ist, von denen wenigstens zwei (12, 13) aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehen, wobei jedes Element ein Segment eines Rings ist, um eine Unterscheidung der Partikelform auf Grundlage der Lichtstreuung zu ermöglichen und wobei die radialen Übergänge zwischen Detektorelementen oder Segmenten in aneinander angrenzenden ringförmigen Ringen (12, 13) phasenverschoben sind.
Optischer Detektor nach Anspruch 9, wobei der erste oder innerste ringförmige Ring (11) einen einzelnen Detektor und die zweiten und nachfolgenden ringförmigen Ringe (12, 13) jeweils aus einer Vielzahl von Detektorelementen bestehen.
Optischer Detektor nach Anspruch 9 und 10, wobei der optische Detektor drei ringförmige Ringe (11, 12, 13) umfasst und die zwei äußersten ringe (12, 13) in 16 Segmente oder Elemente aufgeteilt sind.
Optischer Detektor nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11 inklusive, wobei die ringförmigen Ringe (11, 12, 13) von Detektorelementen im Wesentlichen kreisförmig sind.