BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Durchmessers langgestreckter Gegenstände. Eine beispielsweise Anwendung ist die Messung der Feinheit von Textilfasern oder feinen Fäden.
Seit den Anfängen des Industriezeitalters ist die Kenntnis des Durchmessers, bzw. der Feinheit von Textilfasern als Notwendigkeit anerkannt, da diese physische Eigenschaft einen wichtigen Einfluss auf die Textilverarbeitung und die endgültigen Eigenschaften des Gewebes hat. Als Folge ist der Faserpreis in hohem Mass abhängig von den Abmessungen.
Daher ist es von grosser Wichtigkeit, eine Methode zur genauen Messung des Faserdurchmessers bzw. der sogenannten Feinheit zu finden. Verschiedene Systeme wurden entwickelt, die die mittlere Feinheit von Faserproben messen, doch die meisten leiden an verschiedenen Nachteilen. Einige sind mühsam, zeitaufwendig und fehleran- fällig. Andere erfordern kostspielige Vorrichtungen oder hohe Geschicklichkeit, oder sind von bestimmtem Bedienungspersonal abhängig. Dazu kommt, dass nicht nur die mittlere Feinheit von Faserproben, sondern auch die Verteilung der Feinheitswerte wichtig ist. Aus diesem Grunde wurden während den letzten zehn Jahren viele Anstrengungen zur Entwicklung einer Vorrichtung, welche diese Messung schnell ausführt, geleistet. Zwei solche Systeme, basierend auf optischen Verfahren, sind bekannt.
Die Hauptschwierigkeit bei der Lösung dieses Problems liegt in den kleinen Dimensionen der Gegenstände die zu messen sind, welche sich zwischen wenigen Mikrometern bis zu hundert Mikrometer für die Mehrheit der Textilfasern bewegt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, basierend auf der Beugung von Licht, welche eine schnelle, auch zur Automation geeignete Absolutmessung der Feinheitsverteilung von Textilfasern oder anderen feinen Fäden vornimmt. Das Verfahren ist selbst-kalibrierend, es benötigt keinen Vergleich mit einer durch eine andere Methode gemessenen Eichgrösse. Es erlaubt auch die Messung von feineren Fasern, als dies mit bestehenden, schnell und automatisch messenden Vorrichtungen möglich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird also der Gegenstand, z. B. eine Textilfaser, in den Strahlengang von kohärentem, monochromatischem Licht gebracht und die entstehende Beugungsfigur wird analysiert, um den Durchmesser, bzw. die Feinheit des Gegenstandes zu bestimmen.
Die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Quelle kohärenten, monochromatischen Lichts, wie z. B. einem Laser, aus einem Mittel um die Gegenstände in den Strahlengang der Quelle zu transportieren, aus Mitteln um ein Bild der Beugungsfigur, hervorgerufen durch den Gegenstand, zu erzeugen und aus Mitteln zur Analyse der Beugungsfigur zur Bestimmung der Feinheit.
Das Mittel zur Zuführung der langgestreckten Gegenstände ist vorzugsweise eingerichtet, um eine schnelle Folge von Gegenständen, spezieller eine Folge von Fasern oder Faserfragmenten zuzuführen. Vorteilhaft umfasst es eine im Strahlengang angeordnete durchsichtige Leitung oder optische Zelle, durch welche eine Suspension von Faserfragmenten oder anderen Gegenständen in einem flüssigen Medium geleitet werden kann.
Das Messmittel umfasst vorzugsweise einen optoelektronischen Empfänger oder Wandler, welcher fähig ist, Signale entsprechend der Beugungsfigur, hervorgerufen durch den Gegenstand, zu erzeugen und Mittel, um den sichtbaren Durchmesser des Gegenstandes aus der Beugungsfigur zu errechnen.
Die Erfindung wird genauer beschrieben durch ein Bei- spiel mit Verweis auf die Zeichnungen. Darin zeigten:
Fig. 1 eine Reihe von Funktionen, welche bei der Analyse von Beugungsfiguren von Bedeutung sind;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, welche die Erfindung zum Ausdruck bringt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine abgeänderte Form der Zelle für den Gebrauch in der Vorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie lV-IV;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsversorgungssystems für die Zelle der Fig. 3 und 4;
Fig. 6 und 7 die Beugungsfiguren und Videosignale, die mit der Zelle der Figuren 3 und 4 erhalten werden;
Fig. 8 eine abgeänderte Strahlenfalle, und
Fig. 9 und 10 eine abgeänderte Ausführung der Zelle von Figur 4.
Das Messprinzip der vorliegenden Erfindung liegt in der Erzeugung und Analyse von Beugungsfiguren, welche hervorgerufen werden, wenn ein Gegenstand mit einer Brechungszahl, verschieden von dem ihn umgebenden Medium, in einen Strahl kohärenten, monochromatischen Lichts gebracht wird.
Es ist bekannt, dass wenn ein langgestreckter Gegenstand, von nun an als Faser bezeichnet, in einen Strahl kohärenten Lichts, wie z. B. einen Laserstrahl, dessen Wellenlänge kürzer als die Breite des Gegenstandes ist, gebracht wird, eine Beugungsfigur auf einem Bildschirm beobachtet werden kann, der in Vorwärtsrichtung bezüglich des einfallenden Strahls plaziert ist.
Diese Beugungsfigur liegt senkrecht zur Faserachse und ist symmetrisch zur Strahlachse und zeigt aufeinanderfolgende Maxima und Minima mit Intervallen, die abhängig von der Breite der beugenden Faser sind. Als allgemeine Regel gilt, dass, je feiner die Faser ist, desto grösser sind die Abstände zwischen Maxima und Minima.
Abhängig vom Abstand der beugenden Faser und dem Bildschirm wird das Phänomen allgemein als Fresnel'sche Beugung oder als Fraunhofer'sche Beugung bezeichnet. Im zweiten Fall ist die Beugungsfigur ziemlich einfach: ausser der eigentlichen Mittelzone und vorausgesetzt, dass der Abstand von der Mitte nicht zu gross ist, verhält sich die Intensität der Figur wie (sin ct/a)2, wobei a proportional sowohl zum Abstand von der Mitte als zur Faserbreite ist. Demzufolge sind die Minima Null und der Abstand zwischen ihnen ist konstant (ausgenommen das erste Minimum um die Mitte, für das der Abstand genau doppelt so gross ist). Um Fraunhofer'sche Beugung zu erhalten, muss der Abstand zwischen der Faser und dem Bildschirm sehr gross sein (im Prinzip unendlich).
Der gleiche Effekt kann allerdings bei jedem endlichen Abstand durch Verwendung einer entsprechenden Fokussierungoptik erreicht werden. In diesem Fall wird die beugende Faser vor der Optik und der Schirm hinter der Optik, in einem Abstand entsprechend der Brennweite angeordnet. Der Abstand A zwischen aufeinanderfolgenden Minima ist bezüglich des Faserdurchmessers d völlig beschrieben durch die einfache Formel: A = Fk/d wobei F die Brennweite und Ä die Wellenlänge des Lichts ist.
Die Messung von A ergibt also sofort den Wert von d, vorausgesetzt, dass F und X bekannt sind.
Sowohl Fresnel'sche- wie auch Fraunhofer'sche- Beugung können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, aber die zweite wird vorgezogen, da sich bestimmte Vorteile im Aufbau einer Vorrichtung nach diesem Prinzip ergeben.
Im Fraunhofer Fall mit einer Fokussierungsoptik hängt die Lage und Grösse der Beugungsfigur nicht vom Abstand zwischen Faser und Optik ab. Sie ist auch von einer Deachsierung der Faser im Strahlengang unabhängig. Wenn die Faser in den Strahlengang gebracht wird, erscheint die Figur und bleibt gleich, sogar wenn die Faser sich durch den Strahl bewegt. So ist es möglich, den Durchmesser einer rasch bewegenden Faser zu messen, durch Analyse der fixen Beugungsfigur, vorausgesetzt, die Ausrichtung der Faser ändert sich nicht stark während sie den Strahlengang durchläuft.
In einem schnellen und automatischen System der Probenvorbereitung, wie nachstehend beschrieben, ist es unvermeidlich, dass die Fasern den Strahlengang in fast zufälliger Ausrichtung durchqueren, was auch eine zufällige Ausrichtung der entsprechenden Beugungsfigur bedingt. Demzufolge wird durch diese Erfindung eine bestimmte Methode beschrieben, um die wichtige Information aus einer Beugungsfigur schnell zu gewinnen, unabhängig von der Ausrichtung.
Das Prinzip besteht darin, dass offensichtlich zweidimensionale Bild der Beugungsfigur mit einem optoelektronischen Wandler zu empfangen, das Bild elektronisch zu speichern, es zu verarbeiten um aus dem Speicher eine eindimensionale Information, die die Beugungsfigur darstellt zu entnehmen, und es schlussendlich zu analysieren.
Das Analyseverfahren der verarbeiteten Beugungsfigur ist besonders bei dieser Erfindung. Es basiert auf Spektralanalyse durch Fourier-Transformation. Um die Operation zu verstehen, wird zuerst die ideale Funktion (sin a/a)2 betrachtet, gezeigt bei 1 in Figur 1. Ihre Fourier-Transformation ist die Dreieckfunktion 2 mit einer Eckfrequenz, welche genau den Abstand der Minima in der Originalfunktion entspricht. Wird andererseits die Variation ( I/a)2 genau kompensiert bleibt uns sin2a, was gleich wie eine cos 2a Funktion plus eine Konstante ist, wie bei 3 gezeigt.
Hier zeigt die Fourier-Transformation nur eine Frequenz, welche wieder dem Abstand der Minima entspricht und zusätzlich die Null-Frequenz die der Konstanten entspricht.
In vorliegendem Beispiel wird eine Zwischenlösung erreicht durch entsprechende Filterung bestehend aus einer vollständig undurchsichtigen Mittelzone, um den ständigen, hellen Mittellichtfleck zu entfernen und einem radial ändernden Filter kontinuierlicher Abschwächung das unge fahr die (l/a)2 Änderung kompensiert für den Bereich der zu messenden Faserdurchmesser. Auf diese Art ist die Intensität der Beugungsfigur ähnlich einer sin'a Funktion. mit einem Null-Minimum in der Mitte wie in 5.
Die Fourier-Transformation davon zeigt eine Null-Frequenz Spitze und eine andere Frequenzspitze entsprechend der Distanz der Minima in der Beugungsfigur.
Das Analyseprinzip für die Beugungsfigur hervorgerufen durch eine Faser. besteht also darin die entsprechende Fourier-Transformation zu berechnen und dort die Frequenzspitze zu lokalisieren, welche ihrerseits proportional zum Faserdurchmesser ist. Die Frequenzskala, welche man bei der Fourier-Transformation erhält, entspricht linear einer Faserdurchmesserskala.
Ein Beispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung und ihre Bedienung wird nun bezüglich Figur 2 beschrieben, also nur durch das Beispiel.
Ein Verfahren zur Probenvorbereitung wurde entworfen, das kurze Messzeit und einfache Handhabung erreicht. Der Zweck ist einzelne Fasern von einer Probe von Fasern aufzunehmen und sie eine nach der anderen automatisch durch den Strahlengang des optischen Messsystems zu führen. Eine Probe der zu messenden Fasern besteht aus 10'000 - 30'000 Fasern.
Die bevorzugte Vorbereitung besteht aus folgendem Vorgehen. Die zu messenden Fasern werden mit einem Mikrotom in etwa 1 Millimeter lange Faserstückchen geschnitten. Die Faserstückchen brauchen nicht genau die gleiche Länge zu besitzen, was erlaubt ein einfaches Hand Mikrotom zu verwenden. Die Faserstückchen werden dann in ein Gefäss 7 geschüttet, wo sie mit einem Mixer 9 in einer Flüssigkeit 8 vollständig verteilt werden. Die Flüssigkeit, welche die Stückchen trägt, muss einigen Anforderungen genügen: sie muss klar und transparent sein, weil sie vom Lichtstrahl durchquert wird und sie darf kein Aufquellen der Faserstückchen bewirken, da dies die Durchmessermessung verfälschen würde.
Nachdem die Stückchen verteilt sind, wird der Flüssigkeit erlaubt durch eine Zirkulationseinrichtung zu fliessen, welche eine transparente Leitung 10 beinhaltet. die die Messzelle bildet, welche vom Lichtstrahl 11 durchquert wird wie nachstehend beschrieben. Nach Durchfliessen der Zelle werden die Stückchen in einen Filter 12 herausfiltriert. so dass die Flüssigkeit wiederverwendet und durch Pumpe 13 zurückgepumpt werden kann. Die Flüssigkeitsmenge, die Flussmenge, die Stückchenkonzentration und ihre Länge, die Querschnittsfläche und Form der Zelle, ihre Länge und andere Parameter sollten sorgfältig gewählt werden. so dass die meisten der Stückchen einzeln die Zelle passieren. mit annähernd konstanter Geschwindigkeit, so dass ein ziemlich gleichmässiger Wert für die Anzahl der den Lichtstrahl kreuzenden Stückchen erreicht wird.
Die Zelle kann auch so konstruiert werden um die Flussturbulenz zu verringern. Obwohl keine nötige Eigenschaft, gibt dies den Stückchen eine bevorzugte Ausrichtung beim Durchfliessen der Zelle.
In der bevorzugten Ausführungsart der Vorrichtung basierend auf Fraunhofer'scher Beugung sind die optischen Elemente der Vorrichtung eine Laserlichtquelle 14, die Messzelle 10 und eine Fokussierungsoptik 15, zusammen mit Filtern und einem Bildschirm wie nachstehend beschrieben.
Der Laser sollte mit schwacher Energie (einige Milliwatt) arbeiten, im TEMoo Modus, was die einfachste Intensitätsverteilung im Lichtstrahl ergibt. Die vorstehend erwähnte Messzelle ist im Strahlengang des Laser angeordnet. Vom optischen Gesichtspunkt muss die Zelle aus hochtransparentem Material mit zwei flachen parallelen und feinstpolierten Fenstern zwischen denen die Stückchen fliessen bestehen. Der innere Abstand zwischen den Fenstern beträgt vorzugsweise
1-2 mm.
Die verbleibenden optischen Elemente sind auf der Strahlenachse angeordnet. Die Fokusssierungsoptik 15 ist hinter der Messzelle angeordnet. Um den hellen Mittelpunkt der Beugungsfigur zu entfernen, sollte die Optik eine Strahlenfalle 16 an der Vorderseite aufweisen, bestehend aus einem Strahlenzylinder mit lichtabsorbierendem Boden und Wänden. Diese Anordnung vermeidet Probleme, hervorgerufen durch Vielfachreflexion in der Optik und schützt den optoelektronischen Sensor (nachstehend beschrieben) gegen zu starke Belichtung im Zentrum. Der Abstand zwischen der Messzelle und der Optik ist nicht kritisch, bestimmt aber die Grösse der dunklen Mittelzone in der Beugungsfigur hervorgerufen durch die Strahlenfalle. Deshalb kann er so gewählt werden um die beste Grösse für die dunkle Mittelzone zu ergeben.
Die Brennweite der Optik hängt von den benötigten Abmessungen der Beugungsfigur ab, bestimmt aber auch die Länge des optischen Teils der Vorrichtung. Die typische Brennweite sollte 20-40 cm betragen. Ein Bildschirm 17 ist im Abstand der der Brennweite entspricht hinter der Optik angeordnet. Er besteht aus einem streuenden Material z. B.
Mattglas. Ein Filter 18 ist an seiner Vorderseite angeordnet, welches kontinuierlich zunehmende Durchlässigkeit von der Mitte aus aufweist. Um gute mechanische Stabilität zu erreichen, sollten alle optischen Elemente fest auf einer steifen Grundfläche befestigt sein, vorzugsweise auf einer optischen Bank, was einfache Justierung erlaubt. Wegen der Intensität der Laserlichtquelle braucht die Vorrichtung nicht bei Dunkelheit betrieben zu werden aber reduziertes Umgebungslicht ist wünschbar.
Wenn die fasertragende Flüssigkeitszirkulation in Betrieb ist, wird vorübergehend eine Beugungsfigur 19 auf dem Bildschirm hervorgerufen, jedesmal wenn ein Stückchen den Laserstrahlengang in der Messzelle durchquert. Ein optoelektronischer Wandler wandelt das zweidimensionale auf dem Bildschirm erscheinende Bild in ein zeitveränderliches Signal (Video-Signal). In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist dieser optoelektronische Wandler eine Vidikon-Kamera 20 aber auch andere Kameratypen können verwendet werden, vorausgesetzt ihre Empfindlichkeit ist hoch genug. Die normale Vidikon-Kamera hat den Vorteil geringer Kosten und passender Empfindlichkeit. In der bevorzugten Ausführungsart blickt die Kamera 20 durch ein Objektiv 21 auf den Bildschirm 17. In anderen Ausführungsarten bildet die Kamera-Auftreffplatte den Bildschirm auf dem die Beugungsfigur entsteht.
Die erste Lösung erlaubt grössere Anpassungsfähigkeit bei der Wahl der optischen Parameter. Unter anderem kann eine Irisblende verwendet werden um die Lichtmenge einzustellen die auf die Kamera Auftreffplatte fällt; die Vergrösserung kann durch ändern des Abstandes zwischen Kamera und Bildschirm eingestellt werden, um verschiedene Messbereiche zu ermöglichen. Die zweite Lösung hat den Vorteil der Kompaktheit und Einfachheit und ergibt höhere Empfindlichkeit, da kein Licht durch einen dazwischen angeordneten Bildschirm zerstreut wird.
Wenn eine Kamera verwendet wird, wird das zweidimensionale Bild durch ein Video-Signal dargestellt, dessen Amplitude proportional zur Leuchtkraft des zugehörigen Bildelementes ist, bei zeilenweiser Abtastung des Bildes.
Wegen des Dynamikbereiches des optoelektronischen Wandlers sollte die Änderung der Lichtintensität im Bild nicht zu gross sein. Dies wird durch das vorstehend beschriebene Filter erreicht. Der Bereich der Kamera ist so, dass die ( I/a)2 Änderung in der Figur im Video-Signal nicht kompensiert werden könnte.
Im Fall der Erfindung ist das beobachtete Bild nicht dauerhaft. Die Beugungsfigur erscheint lediglich als ein plötzliches Aufleuchten auf der Kamera-Auftreffplatte wenn ein Stückchen den Laserstrahlengang durchquert. Meistens ist die Zeit während der eine Figur auf dem Schirm bleibt länger als die Abtastzeit der Kamera für die Auftreffplatte. Die Auftreffplatte hat allerdings Speichereigenschaften die bewirken, dass jedes Bildelement in Form einer elektrischen Ladung auf der Auftreffplatte verbleibt bis es durch das Leseelement der Kamera (ein abtastender Elektronenstrahl im Fall des Vidikons) erreicht wird. Die Lokalladungen werden gleichzeitig mit der Erzeugung eines proportionalen Videosignals gelöscht. Demgemäss, wenn eine Figur auftaucht, erscheint ihre Video-Darstellung am Ausgang der Kamera während einer Abtastperiode und verschwindet dann.
Es ist sehr schwierig, die für die Analyse benötigten Rechenoperationen während der Abtastperiode (typisch 20 ms) durchzuführen und deshalb ist eine Art der Video-Signal Speicherung nötig.
In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird ein digitaler Video-Speicher verwendet, um vorerst das zweidimensionale Bild, das die Figur enthält zu speichern. Diese Vorrichtung wandelt das hervortretende Video-Abtastfeld in Echtzeit in digital Form und speichert es in einer grossen Halbleiter-Speicheranordnung. Ist das ganze Bild gespeichert, ist es für die elektronische Schaltung möglich, die wahre Orientierung der Figur zu erkennen und eine eindimensionale Darstellung von ihr zu erzeugen, welche aus einer Reihe von digitalen Werten proportional zur Intensität der Beugungsfigur wie von der Kamera gesehen besteht.
Da die Figurinformation im Speicher digital dargestellt ist, ist die Schaltung zur Entnahme der eindimensionalen Figur eine digitale Einrichtung. In einer möglichen Ausführungsart der Erfindung besteht die Einrichtung aus einer schnellen programmgesteuerten Recheneinheit (ein Mikroprozessor oder ein Mikrokontroller). In einer anderen Ausführungsart der Erfindung besteht sie aus einem Hardwaresystem das speziell zu diesem Zweck entworfen ist. In beiden Fällen muss die Entnahme der Figur so schnell wie möglich geschehen um die höchste Analysenrate für das Messinstrument sicherzustellen. Speziell sollte die Figurentnahmeeinrichtung zu den folgenden Operationen fähig sein:
1. Feststellen des Augenblicks wenn ein Bild der Figur im Speicher steht;
2. Den Speicher während der Entnahmezeit anhalten;
3.
Feststellen, ob das gespeicherte Bild wirklich eine Figur zu einem Faserstückchen ist oder nicht. Wenn das gespeicherte Bild eher zu einem Staubteilchen als zu einem Faserstückchen gehört, zeigt es mehr als eine charakteristische
Figur. Damit die Figur entnahmewürdig für die Figurent nahmeeinrichtung ist, sollte sie wie eine helle Linie mit einigen Leuchtkraftänderungen auf ihrer Achse aussehen.
4. Abtasten des gespeicherten Bildes entlang der Achse der
Figur, wenn der vorstehende Teil bestanden wurde und Aussenden der sukzessiven digitalen Werte die die Figur darstellen zu einem Analyseprozessor.
5. Zurückkehren in den Speichermodus bis der Zustand 1 wieder vorkommt.
Der Analyseprozessor erhält Beugungsfigurdaten in digitaler Form und unterwirft sie einem Spektralanalysealgorithmus. In einer möglichen Ausführungsart der Erfindung wird diese Analyse durch einen digitalen programmgesteuerten Rechner durchgeführt. In einer anderen Ausführungsart der Erfindung besteht der Spektrumanalysator aus einem Hardwaresystem. Die Analysenzeit muss kurz sein, aber sie braucht nicht kürzer als die addierten Zeiten für vollständige Videoabtastung und Figurentnahme zu sein, denn die Beugungsfigurdaten können in einem Zwischenspeicher in oder gerade vor dem Spektrumanalysator gespeichert werden. In einer solchen Anordnung verarbeitet der Spektrumanalysator Daten einer Beugungsfigur, während die Figurentnahmeeinrichtung die nächste Beugungsfigur verarbeitet.
Wenn sowohl die Figurentnahmeeinrichtung und der Spektrumanalysator programmgesteuert arbeiten, können sie im gleichen Rechner implementiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung kann der Analysealgorithmus basierend auf Fourier-Transformation vom Typ der FFT (Fast Fourier Transform) sein. Desweiteren sollte der Spektrumanalysator fähig sein, die Spitzenwerte des Frequenzspektrums zu erkennen und die Null-Frequenz Spitze auszuschliessen. Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Frequenz bei diesem Spitzenwert absolut proportional zum Faserdurchmesser.
Das letzte in der Vorrichtung beteiligte Element ist der Verteilungsanalysator. Sein Zweck ist die Durchmesserwerte zu sammeln und sie in passender Form zu überführen: z. B.
Durchmesserdurchschnitt, Variationskoeffizient, Verteilungshistogramm, Diagramm der kumulativen Verteilung oder Einzelmesswerte. In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung dient dazu ein Digitalrechner. Dieser kann derselbe sein wie für die bereits erwähnte Recheneinheit.
Eine Vorrichtung gemäss vorstehenden Ausführungsarten der Erfindung sollte fähig sein, Durchmesser zwischen 3 und
150 Mikrometern zu messen, was in zwei Messbereiche unterteilt werden kann.
Die Vorrichtung ist schnell, denn sie kann 10'000 bis 30'000 Faserdurchmesser pro Stunde messen.
Sie arbeitet auch automatisch, da Bedienungspersonal nur zum Vorbereiten der Faserstückchen, nicht aber für die Messungen gebraucht wird.
Die mit dieser Vorrichtung vorgenommenen Messungen sind absolut, da die der Beugungsfigur entnommene Information absolut bezogen auf den Faserdurchmesser ist durch ein einfaches physikalisches Gesetz und nur Längenmessungen nötig sind ohne Referenz zu einem anderen Instrument.
Eine alternative Form der Messzelle wird nun beschrieben, in der die transparente Leitung so durch ein weiterentwickeltes Element ersetzt wird.
Bezugnehmend auf Figuren 3 und 4, wird die Fasertransportflüssigkeit durch eine Glaskapillare 102 (Tropfröhre) geführt, welche koaxial in einer zweiten Kapillare 103 der gleichen Art angeordnet ist. Das Ende der ersten Kapillare öffnet sich in die zweite, dort wo diese enger wird. In der zweiten Kapillare fliesst die gleiche Flüssigkeit wie in der ersten, aber ohne in ihr verteilte Faserstückchen. Dieserart, wenn der Fluss von der ersten Kapillare in die zweite Kapillare fliesst, wird er zusammengepresst und zusammengezogen durch die umgebende Flüssigkeit und formt so eine extrem schmale und laminare Strömung 105 im Inneren des
Flusses der zweiten Kapillare. Diese Eigenschaft verbleibt ungeändert weit hinter dem Ende der zweiten Kapillare, wenn die Einrichtung vertikal gehalten wird. Der Effekt wird hydrodynamische Fokussierung genannt.
Die Flüssigkeit der ersten Kapillare, welche die Faserstückchen der Probe transportiert. wird als Probenflüssigkeit bezeichnet, die von der zweiten Kapillare wird als Fokussierungsflüssigkeit bezeichnet.
Die erste Konsequenz der hydrodynamischen Fokussierung ist. dass die Faserstückchen transportiert durch die Probenflüssigkeit gut innerhalb des ganzen Flusses (Proben- und Fokussierungsflüssigkeit) lokalisiert sind auf einer schmalen und stabilen Achse (typische Werte von 100-200 llm Durchmesser für die fokussierte Strömung innerhalb einer Kapillare von 1 bis 1.5 mm Durchmesser werden erhalten).
Eine andere wichtige Folge ist, dass längliche Partikel wie Faserstückchen in der Probenflüssigkeit mit ihrer Achse längs der Strömungsachse ausgerichtet werden, wenn sie in die zweite Kapillare gelangen. Wenn also diese Anordnung in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verwendet wird, sind alle Beugungsfiguren der Faserstückchen senkrecht zur Strömungsachse, wenn die Strömung durch den Laserstrahl geht. Diese Eigenschaft erlaubt eine drastische Vereinfachung der Bildanalyse, da die Ausrichtung aller relevanten Figuren bekannt ist.
Allerdings ist die Beobachtung der Beugungsfiguren mit der eben beschriebenen Einrichtung nicht direkt möglich.
Wenn der Laserstrahl die Strömung passiert, entweder durch die Glasröhre der zweiten Kapillare, oder wenn sie in Luft endet, verwischt von der Glaskapillare oder vom Fluss reflektiertes oder gebrochenes Licht die Beugungsfigur.
Um die Beobachtung der Beugungsfigur einfacher zu machen, weist die Messzelle 101 einen zusätzlichen Teil, bestehend aus einer Leitung 106 auf, in der eine Flüssigkeit identisch zu jener in der zweiten Kapillare fliesst. So tritt der Fluss von der zweiten Kapillare in die gleiche Flüssigkeit ein und alle drei Flüsse bilden ein homogenes Medium, das die Leitung füllt. Die beschriebene Anordnung arbeitet mit vertikaler Strömungsachse. Die Leitung ist in einer ersten horizontalen Richtung durch zwei ebene Wände 107 begrenzt, die sich einander nähern vom oberen zum unteren Ende der Zelle gesehen. Dieses spezielle Profil limitiert den totalen Fluss am Ausgang 108 der Zelle und erhält die laminaren Strömungen nach dem Ende der zweiten Kapillare. In einer zweiten horizontalen Richtung senkrecht zur ersten ist die Leitung durch zwei ebene zueinander parallele Wände 110 begrenzt.
Ein Teil dieser Wände besteht aus zwei ebenen Fenstern 111 von guter optischer Qualität (Planglas), durch welche die optische Beobachtung vorgenommen werden kann.
Die in die Leitung eingeführte Flüssigkeit bildet eine Scheide zwischen dem Fluss aus der zweiten Kapillare und den optischen Fenstern, demgemäss wird sie als Scheideflüssigkeit benannt. Der schmale Laserstrahl, der auf die Messzelle gerichtet ist, durchquert das erste Fenster und das homogene. flüssige Medium und kreuzt die ausgerichteten schnellfliessenden Faserstückchen in diesem Medium. Das gebeugte Licht wird dann durch das zweite Fenster beobachtet.
Es muss beachtet werden, dass die Geschwindigkeit der Faserstückchen beim Austritt aus der zweiten Kapillare sehr hoch ist. Werte um 8 m/sec werden beobachtet bei Fokussierung der Probenflüssigkeit auf 100 pLm Durchmesser.
Um die hydrodynamische Fokussierung zu erreichen und in der Messzelle unverändert aufrechtzuerhalten, muss ein genaues Gleichgewicht der Drücke der drei Flüssigkeiten erreicht werden. Dies kann mit der in Figur 5 gezeigten Hyd raulikeinrichtung geschehen, die als Beispiel gezeigt wird.
Die Hydraulikeinrichtung besteht aus 2 Hauptkreisen, einem für die Probenflüssigkeit und einem für die Fokussierund Scheideflüssigkeit.
Der erste Kreis enthält ein Gefäss 112, gefüllt mit der Flüssigkeit, die die mit einem Mixer 113 gut verteilten Faserstückchen enthält. Die Probenflüssigkeit wird durch eine Pumpe 114 aufgesaugt und in das Gefäss mit einer Gleichdruckeinrichtung 115 zurückgeleitet, die eine vertikale Röhre 116 aufweist, in der die Probenflüssigkeit von unten nach oben fliesst. Der untere Teil 117 dieser Röhre speist die erste Kapillare der Messzelle 101, während der obere Teil 118 zur Luft hin offen ist. Der obere Stand der Proben flüssigkeit ist auf konstanter Höhe 119 und bei Atmosphärendruck.
Dies wiederum bestimmt konstanten Druck am Eingang der ersten Kapillare, in welchem ein Teil der Probenflüssigkeit durch die Schwerkraft nach unten bewegt wird.
Der zweite Kreis versorgt hauptsächlich die Fokussierungsflüssigkeit und die Scheideflüssigkeit. Er besteht aus einem oberen Gefäss 120, gefüllt bis zu einem konstanten Stand 121 mit der Flüssigkeit. Zwei Röhren 122 im Boden des Gefässes 120 speisen die Messzelle mit der Fokussierungsflüssigkeit und der Scheideflüssigkeit. Die Steuerung des Druckes in der Messzelle kann mit den Ventilen 123 in den Röhren 122 geschehen.
Der ganze Fluss der die Messzelle verlässt, wird durch ein Rohr 124 in ein unteres Gefäss 125 geleitet, durch eine Pumpe 126 aufgesaugt, durch ein Filter 127 geführt und in das obere Gefäss 120 zurückgeleitet. Um dort einen konstanten Flüssigkeitsstand zu erreichen, führt eine Überlaufleitung 128 von diesem Gefäss in das untere Gefäss.
Auf diese Weise können die Drücke der drei Flüssigkeiten in der Messzelle konstant gehalten werden, unabhängig von der Menge der Flüssigkeit im Hyraulikkreis.
Dank der Faserausrichtung durch hydrodynamische Fokussierung ergibt sich eine wichtige Modifikation der Elektronik wie nachstehend beschrieben.
Durch vertikale Ausrichtung aller Faserstückchen sind alle entsprechenden Figuren horizontal. Die Ausrichtung der Vidikon-Kamera kann dann so gewählt werden, dass die Beugungsfiguren parallel zu den Abtastlinien liegen. Dadurch kann die Lichtintensitätsverteilung direkt durch Beobachtung des Videosignals entsprechend zu den relevanten Linien gefunden werden.
Allerdings können Beugungsfiguren erscheinen, die nicht horizontal ausgerichtet sind oder die nicht die charakteristische lineare Form haben. Diese Fälle geschehen, wenn Faserstückchen zu stark gebogen sind, was eine Falschausrichtung bewirkt oder wenn zwei Faserstückchen umeinander verdreht sind oder wenn nichtfaserige Partikel (Staub, Unreinheiten) in der Flüssigkeit vorhanden sind. Um diese unwichtigen Bilder zurückzuweisen, ist der Videospeicher mit einem zusätzlichen Teil ausgerüstet (siehe Figuren 6 und 7). Er besteht aus einer elektronischen Schaltung, die erlaubt, zwei rechteckige Zonen 129 in dem zweidimensionalen Bild 130 der Kamera auszuwählen. Die Positionen und die Abmessungen der Rechtecke können eingestellt werden, um sie um die gutausgerichteten Beugungsfiguren 131 zu zentrieren.
Andererseits wird das auf der Kamera-Auffangplatte gelesene Bild in Videosignale umgewandelt, digitalisiert und im Speicher gespeichert, wo es für eine Abtastperiode bleibt und dann durch das nächste Bild ersetzt wird. Ist allerdings die Lichtintensität innerhalb eines der Rechtecke so, dass das entsprechende Videosignal 132 eine gegebene Schwelle 133 übersteigt, wird eine Schaltung aktiviert, die den Speicherungsvorgang am Ende der laufenden Bildabtastung unterbricht und das ganze Bild wird im Speicher festgehalten. Die Höhe der Schwelle 133 ist einstellbar, um die Figuren vom Hintergrund zu unterscheiden. Das Figurenentnahmeverfahren ist dadurch stark vereinfacht, verglichen mit dem vor hergehenden. Das im Speicher gehaltene Bild in digitaler Form zeigt die charakteristischehorizontale Figur 131, die sich über wenige Linien erstreckt.
Die Figurenentnahmeeinrichtung nimmt dann das Durchschnittssignal durch Aufsummieren derjenigen Linien über die sich die Figur erstreckt. Die Anzahl der Linien in der Summe ist auch einstellbar. Das Durchschnittssignal wird dann dem Spektralanalysealgorithmus unterworfen und der Speichermodus des Speichers wiederhergestellt.
Schliesslich kann auch am optischen System eine Verbesserung vorgenommen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die relevanten Bezugsfiguren horizontal ausgerichtet sind, kann eine wirksamere Strahlenfalle verwendet werden, die unabhängig von der Fokussierlinse ist und auf einem vertikalen Support gehalten ist. Sie besteht aus einem kleinen Spiegel 134, der auf einem um 45" geneigten Teil eines Supports 135 befestigt ist. Der horizontal eintreffende Laserstrahl wird auf den Spiegel gerichtet, vertikal reflektiert und dringt in ein hornförmiges Glasrohr 136 ein, das oben auf dem Support 135 angeordnet ist. Dieses Glasrohr ist vorzugsweise aussen schwarz bemalt, so dass der Laserstrahl sich darin durch aufeinanderfolgende innere Reflexion verliert.
Der Hauptvorteil dieses Systems liegt darin, dass es längs der Laserstrahlachse unabhängig von der Fokussierlinse bewegt und entweder zwischen der Messzelle und der Linse oder zwischen der Linse und dem Bildschirm angeordnet werden kann. Auf diese Weise wird eine grosse Flexibilität bei der Wahl der Grösse der zentralen Dunkelzone auf dem Bildschirm erzielt.
Es können verschiedene Messzellenmodelle zur Erzielung der hydrodynamischen Fokussierung verwendet werden.
Anhand der Fig. 9 und 10 sei nun das Beispiel eines sehr einfachen Modelles einer solcher Zelle beschrieben, welche vom oben beschriebenen abweicht. Es besteht zur Hauptsache aus einem Stab 137 aus optischem Glas hoher Qualität mit ebenen Aussenflächen und mit einem Kanal 138 von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt in seinem Zentrum (wie aus Fig. 10 zu entnehmen ist, welche eine Aufsicht auf die Zelle bei weggelassenem Rohr 142 zeigt). Eine typische Grösse für den Querschnitt dieses Kanals beträgt 2 x 2 mm2.
Im oberen Teil der Zelle befindet sich eine Kammer 139 mit kreisrundem Querschnitt, die durch ein seitliches Rohr 140 mit reiner Flüssigkeit versorgt wird. die Übergangszone 141 zwischen der Kammer 139 und dem Kanal 138 kann konisch geformt sein.
Eine Tropfröhre 142 mit einer Kapillare 143 ist am oberen Teil der Kammer 139 derart angeordnet, dass sich das Ende der Kapillare 143 in die Übergangszone 141 öffnet. Die Probenflüssigkeit, welche die Faserstückchen enthält, fliesst durch das obere Rohr 142. Wenn ein geeigneter Druckausgleich in diesem Rohr und in der Kammer 139 erreicht ist, entsteht in der Übergangszone 141 eine hydrodynamische Fokussierung und die fokussierte Strömung bleibt innerhalb des Kanals 138 stabil und laminar. Die fokussierende Flüssigkeit, welche aus dem Rohr 140 kommt, umgibt in dieser Weise die Probeströmung im ebenwandigen Kanal. Im Vergleich mit der oben beschriebenen Fokussierzelle dient in der vorliegenden Konfiguration die Flüssigkeit aus dem Rohr 140 sowohl als fokussierende als auch als Schutzflüssigkeit.
Der Laserstrahl durchquert dann die Zelle 137 und den Kanal 138 senkrecht zur Strömungsachse.
Das vorliegende System ist deshalb einfacher als die oben beschriebenen, weil die Fokussierzellenanordnung viel weniger komplex ausgebildet ist und nur zwei statt drei Flüssigkeitsströmungen erforderlich sind. Die Beeinflussung der Drucke dieser Flüssigkeiten kann durch einen Kreis erreicht werden, der ähnlich aufgebaut ist wie derjenige, welcher bei der vorerwähnten Zelle verwendet wurde. Es hat allerdings eine Begrenzung der Strömung in der Öffnung 144 des Kanals 138 stattzufinden, z. B. mittels einer Gegendruckeinrichtung.
Es sollte bemerkt werden, dass die Ausrichtung der Fasern durch hydrodynamische Fokussierung nur gelingt, wenn die Krümmung der Faserstückchen nicht zu gross ist. Im Falle gekrümmter Fasern müssen die Faserstückchen kurz genug geschnitten werden, um die Krümmung zu reduzieren.
Andererseits dürfen sie nicht zu kurz sein, da der Ausrichtungseffekt nur bei länglichen Partikeln funktioniert.
Ein Kompromiss muss demzufolge gefunden werden, abhängig von der Art der zu messenden Fasern. Die typische optimale Länge beträgt wenige hundert Mikrometer. Für diese Präparation ist es nötig, ein besseres Mikrotom als in der zuerst beschriebenen Ausführungsart zu verwenden.
In dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen wird von Licht gesprochen. Es ist offensichtlich, dass auch ausserhalb des sichtbaren Spektrums vorhandene Wellenlängen von Licht für den Zweck der Erfindung verwendet werden können.