NO318735B1 - Metode for automatisk analyse av storrelsesfordeling, form og farge for partikler og automatisk partikkelanalysesystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en metode for automatisk analyse for å bestemme størrelsesfordeling, form og farge for partikler og et automatisk partikkelanalysesystem. Metoden går ut på å ta partikkelprøver, transportere prøvene til anordninger for å fordele partiklene i en partikkelstrøm i form av en gardin hvor partiklene stort sett er fordelt i et monosjikt, og eksponere dem for en lyskilde slik at det kan dannes et bilde av partikkelgardinen som skal analyseres. Apparaturen omfatter utstyr for å ta prøver og anordninger for å transportere prøvene til utstyr for å fordele prøvene i en partikkelstrøm som egner seg for avbildning og på- følgende analyse.

Hovedproblemet ved analyse av partikler er at den metodikken og apparaturen som er tilgjengelig i handelen bare løser atskilte oppgaver. Det må utføres flere manuelle operasjoner for å fullføre analyseprosessen, og derfor vil bare deler av prosessen i praksis bli automatisk. I de fleste tilfellene kan bare separate prøver analyseres én om gangen, og nye prøves må tas, prepareres, merkes/registreres og formes til egnede partikkelstrømmer for avbildning og påfølgende datamaskinell analyse/behandling av bildene. Resultatene av de nevnte problemene er at det er nokså tidkrevende å utføre analyse av partikkelprøver, for ikke å snakke om en serie av prøver fra forskjellige produksjonsstrømmer i et anlegg.

Det er kjent flere apparaturer og måle- og analyseteknikker for partikkelanalyse. En partikkelanalyseapparatur hvor man bruker en metode for silhuettprojeksjon er beskrevet i US patent nr. 4 497 576. Apparaturen inkluderer bruk av parallelle laserstråler som rettes gjennom en prøve av partikler, og midler for å registrere lyset som passerer gjennom prøven. Disse dataene blir så analysert for å finne størrelsesfordelingen av partiklene i prøven. Partiklene som skal analyseres trans- porteres på et transportbånd, faller ned fra båndet foran en lyskilde og havner på et annet bånd som fører dem tilbake til prosessen. Partiklene som faller fra båndet skal danne et enkelt sjikt av partikler, og de skal falle med samme hastighet. Hvordan dette kan oppnås står det ikke noe om. Analyse av størrelsesfordelingen av partikler er også kjent fra EP 0 348 469 B1, som beskriver en metode og midler for å lage en gardin av monosjikt av partikler for analyse. Partiklene føres manuelt via en silo over på en vibrerende plate som befinner seg på en slik avstand fra siloutløpet at det øverste laget av de nevnte partiklene på den nevnte platen danner en vinkel a med horisontalplanet som er 95%-50% av rasvinkelen for de nevnte partiklene. Selv om det dannes et pålitelig monosjikt med denne metoden og disse midlene, begrenser de seg til analyse av én enkelt prøve om gangen. Avbildning av partikkelgardinen må gjøres ferdig før det kan føres inn en ny partikkelprøve i apparaturen og forme den til et enkelt sjikt av partikler. Avbildning og analysering av en partikkelstrøm er også kjent fra GB-2.333.594 A, som beskriver en apparatur med elektrooptisk skanning av partikkelstrømmen med en optoelektronisk måleseksjon dannet av en lyskilde og tilhørende bildeopptaks- utstyr. Bildeopptaksutstyret omfatter mange elektrooptiske bildeopptaksenheter som er innrettet etter partikkelstrømmen, hvor de nevnte enhetene har forskjellig bildeskala som er innbyrdes tilpasset for å dekke det totale måleområdet for apparaturen. Denne måten å dekke det totale måleområdet på gjør at man unngår det manuelle arbeidet med å bytte linser og kameraposisjon, men den er også begrenset til å utføre analyse på enkeltprøver, og det er ikke vist spesielle forholdsregler for å sikre et enkelt lag av partikler for avbildning.

US patent nr. 5 786 894 beskriver et system for fjernstyrt kontroll under produksjon av fysiske egenskaper for tre-pulp. For å analysere under produksjonen blir pulpen uttynnet med vann og ført gjennom en gjennomsiktig strømningsscelle. En lyskilde er plassert ved siden av cellen. Man kan ha opptil 3 kameraer plassert i ulike vinkler ved strømningscellen, som da fotograferer partiklene fra ulike vinkler. Alle tre kamereaer får bildene samtidig og flere kameraer anvendes for å øke bildekvaliteten. Tredimensjonale bilder blir også mulig. Fra US patent nr. 5 532 942 er det kjent at apparat for automatisk inspeksjon av pulver for kvalitetskontroll. En prøve i en merket beholder blir fordelt i flere mindre merkede prøvebeholdere som hver benyttes til testing av ulike egenskaper, bl.a. partikkelstørrelsesfordeling. For å måle partikkelstørrelsesfordeling blir partiklene suspendert i vann. Partikkelstørrelsesfordelingen blir beregnet ut fra intensiteten av reflektert lys og vinkelen.

US Patent nr. 4 295 200 beskriver et automatisk partikkelanalysesystem som omfatter tilførsel av en rekke prøver til en partikkelfordeler. Prøveskåler fylt med partikler er festet til et transportbånd som kan føres over en partikkelfordeler. En strøm av partikler som er målt slippes ned på spissen av en fordelingsregle når en av skålene passerer over kjeglen. Partiklene blir så fordelt i sirkelmønster mens de faller gjennom en snever størrelsesfordelingssone og ned på den kuleformede kanten av en valse som kan rotere. På denne måten kan partiklene analyseres én etter én ettersom hver av partiklene føres inn i et bildeområde og betraktes, fortrinnsvis med et mikroskop og et TV-kamera som sender signaler til en datamaskin som er programmert til å analysere for utvalgte egenskaper. Dette systemet gjør det mulig å analysere hver partikkel i en prøve, og det kan fortsette på den neste prøven når den siste partikkelen av den første prøven er analysert. Men en slik innretning er svært følsom for størrelsesfordelingen av partiklene før avbildningen, siden store partikler vil sette seg fast i den snevre fordelingssonen i apparaturen. En annen begrensning av kapasiteten til systemet er at partiklene må analyseres én om gangen, og den praktiske bruken av systemet vil være begrenset til laboratorier, siden den ikke vil være anvendelig til å analysere partikler i en kontinuerlig industriprosess.

Hovedmålet for foreliggende oppfinnelse var å komme frem til en fleksibel og automatisk metode og apparatur for analyse av mange prøver av partikler som kan brukes både i laboratorieanalyse og i kontinuerlig (on-line) analyse i prosess-linjer.

Et annet mål var både å ta prøver fra forskjellige prosesstrømmer og føre disse strømmene til en apparatur for analyse av enkelte partikler uten manuelt arbeid og likevel kunne holde rede på opprinnelsen av prøvene med hensyn til tid og sted de forskjellige prøvene er tatt på.

Et ytterligere mål var å kunne utføre sekvensiell analyse av prøver, for eksempel analyse av prøver som er tatt samtidig fra forskjellige prosesstrømmer.

Det var også et mål å utvikle en metode som kunne brukes til å analysere partikler med et bredt spekter av størrelsesfordeling, form og farge.

Til tross for det store antallet metoder og apparaturer for partikkelanalyse som finnes på markedet, fant oppfinnerne at ingen av disse eller kombinasjoner av dem kunne tilfredsstille de kravene de stilte til et fleksibelt og robust system. En grundig undersøkelse av fordeler og ulemper med de kjente metodene avslørte at det var nødvendig med videreutvikling for å redusere det manuelle arbeidet ved partikkelanalyse. Det ble også funnet at kvalitetskontrollen av slike systemer måtte forbedres. Oppfinnerne så først på hver av de manuelle operasjonene for å vurdere muligheten for automatisering og forbedring av operasjonen. Det ble så funnet at prøvene kunne tas samtidig med at prøvepartiklene ble plassert i beholdere som kunne transporteres til den sentrale enheten i en partikkel-analysator. Denne konklusjonen førte så til problemet med å identifisere prøvene senere. Dette problemet ble løst ganske enkelt ved å gi hver beholder en identifikasjonskode som kunne settes opp for å holde orden på rekkefølgen av prøvene i magasinet, og analysatoren innstilles for å analysere prøvene i rekke-følge og/eller leses for å registrere dem med konvensjonelle optiske/elektroniske detektorer. Det ville da være mulig å identifisere prøvene gjennom hele prosessen med hensyn til tiden og stedet for prøvetakingen og også andre opplysninger av interesse, som temperaturen, fuktigheten og liknende idet prøven tas. I noen tilfeller ville det også være av interesse å preparere prøvene før analyse. Slik preparering, som omfatter tørking, oppdeling, knusing, sikting og liknende, blir så gjort før prøven anbringes i beholderen. I forbindelse med partikkelanalysen ville det i noen tilfeller være en fordel om analysen kunne utføres i sekvenser eller serier, for eksempel ved at det utføres serier av analyser av prøver som tas samtidig fra forskjellige prosesstrømmer. Oppfinnerne fant så at dette kunne oppnås ved å bruke prøvebeholdere med identifikasjonskoder. Ønskede prøve-serier kunne så samles i en lagringsenhet som føres til den sentrale analyse-apparaturen. I andre tilfeller kunne flere prøver fra ett sted lagres i den nevnte lagringsenheten for å transporteres til analysatoren. Med det ovennevnte arrangementet kan alle ønskede serier av prøver føres til analysatoren, hvor atskilte prøver fra lagringsenheten kunne omformes til en strøm av partikler med egnet form for avbildning og analyse. Partikkelstrømmen kunne fortrinnsvis bestå av et monosjikt av partikler, og dette kunne oppnås ved kjente midler, for eksempel ved å føre prøven til noen vibrerende plater. Dessuten ble det funnet at selv avbildningsdelen kunne forbedres ved å bruke flere registreringsenheter, som for eksempel kameraer, i analysatoren. Kameraene kunne ha forskjellig størrelse/- type av linser, og avhengig av prøvetypen og størrelsen av partiklene som skal analyseres kunne man bruke et kamera eller kameraer som passer til dem. Siden systemet har datamaskinprogrammer for automatisk valg av kamera eller kameraer og for å ta prøver automatisk og også plassering av prøvene i ønskede lagringskamre, kan resultatene fra analysatoren brukes til å finne ut hvilke prøver eller typer av prøver som skal velges ut til analyse. Analysen kan selvsagt også brukes til å regulere en prosess. Systemet kan med fordel utstyres med forskjellige typer alarm som utløses hvis analysen viser forhåndsdefinerte avvik fra de ønskede verdiene.

Prøvene tas manuelt eller automatisk og plasseres så i beholdere forsynt med identifikasjons- koder som kan leses/skrives manuelt eller automatisk og registreres optisk eller elektronisk og at beholderne plasseres i lagringsenheter i prøvemagasiner som kan forbindes med fordelingsutstyr som kan danne partikkelstrømmer som egner seg for avbildning og påfølgende analyse.

Før de plasseres i beholderne kan prøvene prepareres, som for eksempel tørkes, oppdeles, knuses eller siktes.

Prøvene kan tas fra forskjellige prosesstrømmer, og beholderne for disse prøvene kan plasseres i den samme lagringsenheten for å analyseres som en serie av analyser.

Metoden i henhold til krav 1 's innledning er kjennetegnet ved at kameraet(-ene) velges blant flere kameraer som befinner seg i analyseinnretningen, i henhold til størrelsesfordelingen av partiklene i prøven.

Resultatene av analysen kan brukes til å utløse reguleringssignaler eller en alarm hvis resultatene avviker fra forhåndsdefinerte verdier, og de nevnte reguleringssignalene kan sendes til kontrollsystemet for prosessen.

Det kan defineres en rekkefølge for beholderne i magasinet, og analysatoren kan innstilles for å analysere prøvene i henhold til denne rekkefølgen av prøvene.

Prøvebeholderne kan inneholde prøver med et bredt spekter av form, farge og størrelsesfordeling.

Hovedtrekkene til det automatiske partikkelanalysesystemet i henhold til oppfinnelsen omfatter utstyr for å ta prøver automatisk og beholdere 2 med identifikasjonskoder for prøvene og lagringskamre 3 for de nevne beholderne 2. Prøvene kan overføres til en prøvefordelingsenhet 4 én etter én for å danne partikkel-strømmer som egner seg for avbildning og påfølgende analyse.

Det automatiske partikkelanalysesystemet i henhold til krav 7's innledning er kjennetegnet ved at flere kameraer befinner seg i analyseinnretningen, hvorfra nevnte kamera(-er) kan velges, idet kameraene som befinner seg i analyseinnretningen har forskjellige typer linser og kan settes i drift automatisk som en funksjon av størrelsen av de partiklene som skal analyseres.

Systemet kan omfatte flere avbildningsenheter, kameraer med forskjellig type linser som kan settes i drift automatisk som en funksjon av størrelsen av partiklene som skal analyseres.

Systemet kan inneholde flere kamre for prøvebeholdere og det kan være midler til å transportere de nevnte kamrene til prøvefordelingsenheten.

Oppfinnelsen forklares videre i forbindelse med figuren.

Figur 1 viser de sentrale enhetene av et partikkelanalysesystem i henhold til

oppfinnelsen.

Figur 1 viser en apparatur 1 for partikkelanalyse som omfatter avbildningsenheter, som for eksempel i det minste ett kamera og en lyskilde for å belyse strømmen av partikler som kommer inn fra den vibrerende rennen 4 til apparaturen 1. Når de er analysert, samles partiklene opp og fjernes fra apparaturen 1 i skuffen 7. Det kan også brukes et transportbånd til å fjerne de analyserte partiklene og sende dem tilbake til prosessen de tas ut fra hvis det er ønskelig. Partikkelprøvene fraktes fra stedet hvor prøvene tas til sentralenheten i beholdere 2. Disse beholderne kan så føres til rennen 5 og videre inn i et egnet lagringskammer 3. Beholderne 2 kan også fylles i kammeret 3, som så forbindes med den sentrale analyseenheten. Når kammeret 3 roterer, tømmes beholderne 2 ned på en vibrerende renne 4. Partiklene forlater rennen 4 i en strøm som i det vesentlige er et monosjikt av partikler. Tømte beholdere 2 forlater sentralenheten gjennom rennen 6 og transporteres så tilbake til prosessen for å fylles igjen med prøver av partikler for analyse.

Ved å bruke metoden henhold til oppfinnelsen og et automatisk analysesystem lik det som er vist på Figur 1 har oppfinnerne klart å løse de viktigste problemene med de kjente metodene og systemene på området. Med denne oppfinnelsen har man kommet frem til en metode og et system som er fleksibelt, robust og har høy kapasitet. Manuelt arbeid er redusert til et minimum, og kvalitetskontrollen og påliteligheten av partikkelanalysen er økt betydelig som følge av at det brukes prøvebeholdere med identifikasjonskoder.

Claims (8)

1. Metode for automatisk analyse av størrelsesfordeling, form og farge for partikler, som omfatter å ta partikkelprøver, som fordeles i partikkelstrømmer, hvor partiklene fordeles i en partikkelstrøm som i det vesentlige er et monosjikt av partikler og som utsettes for en lyskilde for avbildning og med påfølgende analyse av partiklene i en analyseinnretning, hvor prøvene tas manuelt eller automatisk og anbringes i beholdere med identifikasjonskoder, som kan leses/skrives manuelt eller automatisk, registreres optisk eller elektronisk, og at beholderne anbringes i lagringsenheter eller prøvemagasiner som kan forbindes med en prøvefordelingsenhet for å danne partikkelstrømmer som egner seg for avbildning og påfølgende analyse, og at avbildningen av partikkelstrømmen utføres med ett eller flere kamera(-er), karakterisert ved at kameraet(-ene) velges blant flere kameraer som befinner seg i analyseinnretningen, i henhold til størrelsesfordelingen av partiklene i prøven.

2. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at prøvene prepareres før de anbringes i beholderne, som for eksempel tørkes, oppdeles, knuses eller siktes.

3. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at prøvene tas fra forskjellige prosesstrømmer og at beholderne til disse prøvene er anbragt i den samme lagringsenheten for å analyseres i en serie av analyser.

4. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at resultatene av analysen utløser reguleringssignaler eller en alarm hvis resultatene avviker fra forhåndsdefinerte verdier og at de nevnte reguleringssignalene sendes til kontrollsystemet for prosessen.

5. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at det defineres en rekkefølge for beholderne i magasinet og at analyseinnretningen innstilles for å analysere prøvene i henhold til denne rekkefølgen av prøvene.

6. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at prøvebeholderne inneholder prøver med et bredt spekter med hensyn på størrelsesfordelinger, form og farge.

7. Automatisk partikkelanalysesystem som omfatter prøvetakingsutstyr, transportanordninger for å transportere prøvene til utstyr for å fordele prøvene i en partikkelstrøm som egner seg for avbildning og påfølgende analyse i en analyseinnretning, utstyr for automatisk prøvetaking, beholdere (2) med identifikasjonskoder for prøvene og lagringskamre (3) for de nevnte beholderne (2), og hvor prøvene kan overføres én etter én til en prøve- fordelingsenhet (4) innrettet til å danne partikkelstrømmer som egner seg for avbildning med ett eller flere kamera(-er), karakterisert ved at flere kameraer befinner seg i analyseinnretningen hvorfra nevnte kamera(-er) kan velges, idet kameraene som befinner seg i analyseinnretningen har forskjellige typer linser og kan settes i drift automatisk som en funksjon av størrelsen av de partiklene som skal analyseres.

8. Automatisk system i henhold til krav 7, karakterisert ved at systemet har flere kamre for prøvebeholdere og midler for å frakte de nevnte kamrene til prøvefordelingsenheten.