DE2558392A1

DE2558392A1 - Partikelanalysator

Info

Publication number: DE2558392A1
Application number: DE19752558392
Authority: DE
Inventors: William Guy Rowe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-08
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1976-07-15
Also published as: CA1050660A; FR2297413A1; JPS5195884A; FR2297413B1; GB1497698A; US4075462A

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent *y r r ρ O Q O

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William Guy Rowe
Boonville, CaI.

Partikelanalysator

Priorität: 8. Januar 1975 - USA - Ser. No. 539.341

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Es wird eine Anordnung zur Partikelsnalyse beschrieben, die on-line im Echtzeitbetrieb arbeitet und so adaptierbar ist, daß sie in Prozeßsteuerungen verwendet werden kann, wobei die Analyse eine Basis für die Steuerung des Prozesses liefert. Bilder von Partikeln werden auf eine Reihe von lichtempfindlichen elektronischen Elementen fokusiert. Das resultierende

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Lichtmuster wird in digitale Daten umgesetzt, die wiederauffindbar in einem Speicher gespeichert werden. Eine Analyse der Daten mittels digitaler Logik liefert Information hinsichtlich der Partikelzählungen, -größe, -form und anderer physikalischer Charakteristiken. Es wird eine Zwischenspeicherung in der lichtempfindlichen Anordnung selbst vorgesehen, die eine Datenakkumulation unter Verwendung von stroboskopischer Beleuchtung kurzer Dauer erlaubt.

Hintergrund der Erfindung

. Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Verwendung beim Zählen, Sortieren hinsichtlich Größe und Form, und Anzeige der Zählung, Größe und Form des Partikelgehaltes eines Strömungsmittels.

Es besteht ein Bedarf für Einrichtungen, die in der Lage sind, Partikel schnell zu analysieren, insbesondere Partikel, die in einem sich bewegenden Strömungsmittel suspendiert sind. Es gibt breit gefächerte Anwendungen für solche Einrichtungen, beispielsweise Untersuchungen von Wasser- und Luftverunreinigungen, Erzraffinerie, Bakteriologie, Pathologie, Metallurgie, medizinische Grundlagenforschung und medizinische Diagnose.

Einigen Anwendungsfällen kann zwar durch Laborgeräte Rechnung getragen werden, in vielen anderen Anwendungsfällen werden jedoch Geräte benötigt, die on-line in Echtzeit arbeiten können, so daß die von der Analyse gewonnene Information zur Beeinflussung des Prozesses verwendet werden kann, um die Ausbeute des Prozesses zu verbessern.

Bisher wurde eine Bestimmung des Partikelgehalts von Strömungsmitteln dadurch durchgeführt, daß eine Probe, die unter kontrollierten Bedingungen entnommen wurde, zur Mikroskopie präpariert und analysiert wurde. Photographien mit präziser Vergrößerung können von einer Probe angefertigt werden und visuell

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geprüft werden, oder es kann auch eine direkte visuelle Prüfung der Probe durch das Mikroskop verwendet werden. Ein Labortechniker zählt die Anzahl von Partikeln und klassifiziert sie hinsichtlich Größe in einer repräsentativen und präzise bekannten Fläche der Probe. Das Vorgehen ist mühsam, zeitaufwendig und weiten Variationen unterworfen hinsichtlich der Erfahrung, der Sehschärfe und der Stimmung des Technikers. Diese" Probleme werden noch weiter erschwert, wenn Partikel innerhalb eines großen Bereiches von Größen und Formen in der Probe" vorhanden sind. ■

Um diese Nachteile zu beseitigen, sind Anordnungen entwickelt worden, die analoge Fernsehkameras oder diskrete Strahlfleckabtaster verwenden, wobei in beiden Fällen das Prinzip benutzt wird, ein festes Gesichtsfeld in eine Anzahl benachbarter Abtastzeilen zu zerlegen, von denen jede einen schmalen Schlitz des Gesichtsfeldes repräsentiert. Durch elektronische Zeitgabe und Synchronisation kann das Vorhandensein und die Lage von Partikeln in jeder Zeile detektiert werden. Benachbarte Zeilen können dann elektronisch verglichen und das Vorhandensein oder Fehlen des Bildes in jeder benachbarten Zeile bestimmt werden. Durch Messen der Zeit, in der jeder Partikel in einer einzelnen Abtastung vorhanden ist, und durch Zählen der Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastungen, in denen der Partikel vorhanden ist, wird eine zweidimensionale Messung des Partikels erreicht.

Während eine bewegungslose Probe auf diese Weise ohne Schwierigkeiten abgetastet werden kann, ist verständlich, daß die Probleme, unzweideutige Zählungen von Partikeln zu erhalten, und die Größen und Formen von Partikeln zu bestimmen, erheblich anwachsen, wenn sich die Probe in Bewegung befindet, wie das beispielsweise in fast allen Anwendungen zur Prozeßsteuerung der Fall ist. Übliche Fernsehkameras haben typischerweise Bildzahlen von zehn bis dreißig Bildern pro Sekunde, und 200 bis 1.000 Zeilen pro Bild. Da die Probenströmungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu der Rate, mit der die

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Zeilenabtastung sich über das Feld bewegt, niedrig sind, wird die Neigimg zu Doppelzählungen erhöht. Wenn die Probengeschwindigkeit hoch wird und einen merklichen Bruchteil der Zeilenabtastrate erreicht, wird die Neigung größer, Zählungen auszulassen. Weiterhin werden die Zählungen der kleineren Partikel in einer Gruppierung häufiger ausgelassen als Zählungen größerer Partikel, und zwar auf Grund der geringeren Wahrscheinlichkeit einer Feststellung der kleineren Partikel. Während die Strömungsraten innerhalb eines engen Bereiches eingestellt werden können, beispielsweise durch Steuerung der Verdünnung der Hauptprobe, kann die Zweideutigkeit nicht vollständig aufgelöst werden. Weiterhin kann die statistische Verzerrung der Daten, die sich durch eine veränderliche Wahrscheinlichkeit der Feststellung ergibt, durch statistische Manipulation nicht leicht korrigiert werden, da die Partikelverteilungsfunktionen typischerweise ziemlich unregelmäßig sind. Grobe, vereinfachende Annahmen hinsichtlich des Verhaltens der Kurve der Verteilungsfunktion werden erforderlich, um auch nur sehr elementare Korrekturen durchzuführen.

Die Formfeststellung wird ebenfalls durch strömende Proben ungünstig beeinflußt. Wenn die Partikelbildgeschwindigkeit so ist, daß das Bild die Bildebene in der gleichen Richtung und der gleichen Zeit wie die Abtastung überquert, scheint das Partikelbild so lang zu sein v/ie der Schirm hoch ist. Ein umgekehrter Effekt, d.h., eine scheinbare Verkürzung des Bildes, tritt ein, \ienn die Bewegung in umgekehrter Richtung verläuft. Die Verwendung einer stroboskopischen Beleuchtung mit einer geringeren Zeit als die für ein vollständiges Bild erforderliche ist natürlich unmöglich, weil nur ein Teil der Abtastung belichtet würde. Beleuchtungsforderungen und Bildraten stehen also in analogen Fernsehkameras immer in gegenseitiger Beziehung. Ersichtlich ist also diese "Bewegungsstop"-Wirkung mittels stroboskopischer Beleuchtung auf Partikelgeschwindigkeiten beschränkt, die das Gesichtsfeld

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in Zeiten durchqueren, die erheblich größer sind als die Zeit, die für die vollständige Abtastung eines Bildes erforderlich is-t.

Es könnte scheinen, daß eine Vergrößerung oder Verringerung der Abtastrate erwünscht wäre, um ein Ansteigen oder Fallen der Probendurchflußraten zu berücksichtigen, das Grund-Betriebsschema von analogen Fernsehkameras schließt Jedoch eine Variation der Abtastraten in praktisch ausführbaren Anordnungen aus. Diese praktische Begrenzung ergibt sich aus der Notwendigkeit für kritische Zeitgabe und Synchronisation der Anordnung. Um einen nutzbaren Video-Ausgang von der Kamera zu erhalten, muß die Lage des Abtaststrahls, an dem jeder Schritt des Video-Ausgangssignals erzeugt wird, präzise bekannt sein. Um diese Stelle präzise zu kennen, müssen der exakte Zeitpunkt des Abtastbeginns, die exakte Abtastrate und die exakte Position jeder Abtastlinie auf dem Kamera-Bildschirm präzise bekannt und gesteuert sein. In praktischen Anordnungen sind die Zeitgabe und die Abtastrate streng festgelegt und es wird alles versucht, eine Variation derselben zu verhindern. Es ist zwar theoretisch möglich, dafür zu sorgen, daß eine solche Anordnung asynchron arbeitet, vom praktischen Standpunkt ir.t das jedoch keine brauchbare Lösung, weil eine extreme Komplizierung der Konstruktion in allen Aspekten der Anordnung das unmittelbare Resultat eines Versuches ist, die Anordnung asynchron arbeiten zu lassen.

Ein weiteres Problem bei analogen Fernsehanordnungen besteht darin, daß die Empfindlichkeit der Anordnung mit der Rate in Beziehung steht, mit der der Strahl den Schirm überstreicht. Kleinere Abtastgeschwindigkeiten können dazu verwendet v/erden, die Empfindlichkeit zu erhöhen, dadurch wird jedoch die maximale Abfragerate herabgesetzt und die Geschwindigkeit des Probenflusses begrenzt, der Rechnung getragen werden kann. Umgekehrt

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können die Abfrageraten erhöht werden, jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit. Wenn also ein Parameter optimiert wird, leidet der andere proportional.

Ein Teil der Empfindlichkeitsbegrenzung kann dadurch überwunden werden, daß höhere Beleuchtungspegel verwendet werden, wenn höhere als normale Bildzahlen verwendet werden. Eine praktische Begrenzung für die maximale nutzbare Beleuchtung wird jedoch schnell erreicht, da starke Beleuchtung Betrachtungen hinsichtlich der Größe, des Gewichtes und der Wärmeabfuhr ins Spiel bringt, die kompakte Probenkammerkonstruktionen unpraktisch machen.

Allen Abtastmethoden der Partikelanalyse sind gewisse Fehler gemeinsam, und zwar auf Grund von Faktoren wie Zusammentreffen von Partikeln, unregelmäßige Formen von Partikeln und eine Kantenabtastung von Partikeln. Das übliche Verfahren zur Handhabung dieser Probleme besteht darin, daß eine statistische Justierung der Ausgangsdaten herbeigeführt wird. Dieses Verfahren ist gewöhnlich befriedigend, je nach der für eine spezielle Anwendung geforderten Präzision. Ein ärgerlicheres Problem ist jedoch der Fehler auf Grund des Vorhandenseins von Blasen in der Probe. Blasen können in allen Größenbereichen vorhanden sein und sind besonders zu beachten, wenn die Probe von einem sehr turbulenten Prozeß gezogen wird. Ein Kugelmühlenzyklon bei der Erzraffinerie ist ein gutes Beispiel für eine solche Probenquelle.

Die Blase bietet eine ungewöhnlich störende Fehlerquelle, v/eil ihr optisches Bild grundsätzlich dem eines massiven, sphärischen Partikels gleich ist. Die Menge von in der Probe vorhandenen Blasen ist unvorhersehbar, und deshalb sind statistische Korrekturen unmöglich. Der Analysator muß deshalb in der Lage sein, Blasen von festen Partikeln zu unterscheiden, um eine genaue Zählung zu erhalten. Bei einigen Anordnungen ist versucht

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worden, dieses Problem dadurch zu vermeiden, daß Blasen aus dem Probenströmungsmittel eliminiert wurden. Diese Lösungsmöglichkeit ist technisch gesund, die erforderliche Einrichtung ist jedoch massig, schwer und mechanisch kompliziert.

Eine Eigenschaft des optischen Bildes einer Blase erlaubt es, dieses von dem eines festen Partikels zu unterscheiden, wenn eine Einrichtung verfügbar ist, die in der Lage ist, Muster zu erkennen. Der größte Teil des Lichtes, das auf die Oberfläche einer Blase trifft, wird von dem ursprünglichen V/eg weggebrochen, so daß ein scheinbarer Schatten verbleibt, wie das bei einem festen Partikel der Fall wäre. In der Mitte der Blase ist Licht jedoch senkrecht zu den Oberflächen der Blase und wird deshalb nicht gebrochen. Stattdessen tritt es durch die Blase hindurch, so daß das Bild der Blase das Aussehen eines massiven Partikels hat, der in der Mitte eine kleine Öffnung hat.

Anordnungen, die auf der Kantenfeststellung mittels eines Abtaststrahls beruhen, werden von dieser Form verwirrt. Da einfache analoge Abtastsysteme Bilddaten nicht speichern, ist es unmöglich, auch nur einfache Mustererkennungsroutinen durchzuführen, ohne zu aufwendigen analogen Speicher- und Wiederauffind-Systemen Zuflucht zu nehmen. On-line-Betrieb einer solchen Anlage würde unter Verwendung bekannter Techniken so langsam sein, daß sie für praktische Zwecke nicht in Frage kommt, und würde die Umwandlung analoger Daten in ein digitales Format zur Verarbeitung erfordern, so daß die ganze Anlage sehr teuer und kompliziert würde.

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Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Partikelanalysator verfügbar zu machen, der auf Partikel innerhalb eines großen Bereiches von Größen und Formen anspricht und zwischen diesen unterscheiden kann, und der in der Lage ist, mit Geschwindigkeiten zu arbeiten, die ihn für on-line-Echtzeit-Betrieb bei der Prozeßsteuerung brauchbar machen.

Weiter soll durch die Erfindung ein Partikelanalysator verfügbar gemacht werden, der in der Lage ist, in Verbindung mit einer sich bewegenden Probe mit minimaler Zählzweideutigkeit oder minimalen Form- und Größen-Analyse-Fehlern zu arbeiten, die sich aus der Probenbewegung ergeben.

Darüber hinaus soll durch die Erfindung ein Partikelanalysator verfügbar gemacht v/erden, der in der Lage ist, die relative numerische Verteilung verschiedener Größen und Formen von Partikeln zu bestimmen und darzubieten.

Kurz gesagt, werden gemäß der Erfindung Partikel dadurch gezählt und analysiert, daß ein Lichtstrahl durch ein Proben mit sich führendes Strömungsmittel projiziert wird und ein Bild der Partikel auf eine Bildebene fokusiert wird, in der eine LSI-Anordnung von lichtempfindlichen elektronischen Elementen angeordnet ist. Jedes Element wird in digitaler Form adressiert und abgelesen, und die so erhaltene Information wird in einem digitalen Speicher mit willkürlichem Zugriff gespeichert, der die gleiche Yfortkapazität hat wie Elemente in der Reihe vorhanden sind. Die von der Reihe erzeugte und im Speicher gespeicherte Information wird das elektronische Äquivalent eines Mikrophotos. Die in diesem "Photo" enthaltene Information wird mit einem digitalen Analyseprozeß analysiert, der die Partikel zählt, sie hinsichtlich der Größe klassifiziert und die damit erhaltene Information speichert.

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Gemäß einer speziellen Ausführung der Erfindung wird die im Digitalprozessor gespeicherte Information mit Information über die Durchflußrate kombiniert, und die Kombination wird analysiert, um eine Partikelzählung pro Volumeneinheit zu erhalten und, gewünschtenfalls, hinsichtlich Größe sortierte Partikelzählungen pro Volumeneinheit, oder Gewichtsprozentsatz von Festkörpern.

Gemäß einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung werden die relativen Partikelverteilungen bestimmt und die Information in ein kontinuierlich auf den neuesten Stand gebrachtes Histogram übertragen, das angezeigt wird.

Gemäß noch einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung weist die Lichtquelle für die Probenkammer eine stroboskopische Beleuchtung sehr kurzer Dauer und hoher Intensität auf, so daß eine Analyse von. sich sehr schnell bewegenden Partikeln durch die Speichereigenschaften der lichtempfindlichen Anordnung ermöglicht wird. Gemäß diesem Merkmal wird die im "Photo" enthaltene Information in der lichtempfindlichen Reihe für eine ausreichende Zeit aufbewahrt, um die Information zum Speicher mit willkürlichem Zugriff zu übertragen, wo sie zur Verarbeitung in wiederauffindbarer Weise gespeichert wird. Während die Speicherzykluszeit und die Verarbeitungszeit groß gegen die Dauer der stroboskopischen Beleuchtung sind, ist die Abfragerate immer noch schnell genug, um statistische Änderungen im Partikelgehalt der Probe festzustellen.

Gemäß einer weiteren speziellen Ausbildung der Erfindung ist für solche Anwendungsfälle, bei denen es erwünscht ist, Partikelformen zu unterscheiden, eine Mustererkennungsmöglichkeit vorgesehen, die zusätzlich dazu, daß sie Formen unterscheiden kann, falsche Partikelzählungen durch Blasen im Probenströmungsmittel eliminieren kann.

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Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Partikelanalysators mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 schematisch die Beleuchtung der die Partikel mitführenden Probe bei ihrem Durchtritt durch die Probenkammer, die Fokussierung des durchgelassenen Lichtes und die resultierenden Lichtmuster, die auf die Reihe oder Anordnung von lichtempfindlichen elektronischen Elementen auftreffen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Steuerlogikteils der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schema einer bevorzugten Ausführungsform'der Anordnung aus lichtempfindlichen elektronischen Elementen; und

Fig. 5 schematisch eine brauchbare Bildschirmwiedergabe, wie sie typisch für Wiedergaben ist, die für die Erzraffinerie gedacht sind, wobei Partikelzählungen pro Zeiteinheit dargestellt sind, die entsprechend den Größenbereichen kategorisiert sind.

In Fig. 1 ist ein Partikelanalysator mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Partikelanalysator weist eine Probenkammer 25 auf, durch die ein Proben mit sich führendes Strömungsmittel hindurchtritt. Die Probenkammer ist zur Darstellung als vollständig transparent dargestellt, ist Jedoch vorzugsweise nur auf zwei entgegengesetzten Seiten transparent, und zwar für Durchlicht-Probenbelichtung. Die Probenkammer ist auch vorzugsweise so ausgelegt, daß sie auf Grund der Kammergeometrie Turbulenzen erzeugt, die eine statistische Verteilung und Orientierung der Partikel hervorruft, wenn die Probe durch die Probenkammer hindurchtritt.

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Ein Strömungsmittel-Steuersystem, das aus Pumpen 18, 21 und 24 sowie Ventilen 17, 20 und 23 besteht, bildet eine Einrichtung, mit der die Strömungsrate des Proben-Strömungsmittels und seine Verdünnung gesteuert werden können,und zur Säuberung der Proben^ kammer, je nach Betriebsbedingungen. Durchflußmeter 10, 16, 19 und 22 sind in jedem Zweig des Strömungsmittel-Steuersystems vorgesehen, damit sie bei der Bestimmung der Durchflußraten und Verdünnungen verwendet werden können. Eine Einstellung dieser Größen, oder Berücksichtigung ihrer Wirkungen in den statistischen Berechnungen, wird durch die Durchflußmesser erleichtert. Ein Dichtemeßgerät 12 ist ebenfalls in der Ausgangsleitung vorgesehen, um den Gewichtsprozentsatz an Festkörpern zu berechnen und auszugeben.

Eine mit einer programmierbaren Energiequelle 15 gesteuerte Lichtquelle 14 sorgt für eine Beleuchtung des Probenströmungsmittels bei dessen Durchlauf durch die Probenkammer.

Obwohl eine Beleuchtung mit irgendeinem Lichtstrahl erreicht werden kann, der ausreicht, das Gesichtsfeld mit gleichförmiger Beleuchtungsstärke zu überdecken, wird kollimiertes Licht bevorzugt und in der bevorzugten Ausführungsform auch dargestellt, wie es durch eine Kollimatorlinse 13 erreicht wird. Eine mono- <chromatische Lichtquelle, beispielsweise ein Laser, ist ebenfalls zu bevorzugen, weil er die Kompliziertheit des optischen" Systems, das zum Kollimieren des Strahls und zum Fokussieren des Bildes in der Brennebene bekanntlich erheblich reduziert. Ein Laser bietet auch die Möglichkeit eines Impulsbetriebs bei hohen Intensitäten, wodurch die Möglichkeit einer höheren Abfragegeschwindigkeit erreicht wird, wie noch erläutert wird. Weiter kann eine Laser-Beleuchtung gewählt werden, die an die Wellenlänge optimaler Empfindlichkeit der Silizium-Photodioden angepaßt ist, die die lichtempfindliche Anordnung 32 bilden.

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Es ist zwar eine Durchlichtbeleuchtung als bevorzugte Ausführungsform dargestellt, es ist jedoch auch möglich, eine Belichtung mit reflektiertem Licht zu verwenden, und in einigen Fällen ist es erwünscht, das zu tun.

Bilder von Partikeln in der Probe werden in eine Brennebene mittels einer Optik mit variabler Vergrößerung fokusiert, die aus einem Objektiv 26, einem Kupplungsring 27, einem Okular 30 mit variabler Vergrößerung und dem zugehörigen Kupplungsring 31 besteht.

In der Brennebene der Fokussieroptik ist eine LSI-Anordnung 32 aus Silizium-Photodioden angeordnet, beispielsweise eine Matrix von 100 Elementen mal 100 Elementen. Bilder der abgetasteten Partikel werden auf die Anordnung fokusiert und es ergibt sich im Falle von Durchlicht ein Schattenbild der Partikel. Fig. 2 zeigt in vereinfachter schematischer Form die Beziehung zwischen der Lichtquelle 14, der Probenkammer 25, der Fokusieroptik 201 und der lichtempfindlichen Anordnung 32. Die Blase 202 innerhalb der Probenkammer 25 und das Blasenbild 203 auf der Anordnung 32 sind besonders zu beachten. Der charakteristische helle Fleck in der Mitte des Blasenbildes 203 wird dazu verwendet, Blasen von massiven sphärischen Partikeln zu unterscheiden.

Die Vergrößerung der Optik 26, 27, 30 und 31 wird mit einem umkehrbaren Schrittmotor 29 gesteuert, der das Okular 30 mit variabler Vergrößerung innerhalb des Bereiches mittels eines Vorgeleges 28 einstellt. Die Vergrößerung der Partikel wird entsprechend dem zu analysierenden Größenbereich gewählt. Partikel der geringsten Größe erfordern eine Vergrößerung bis zu wenigstens dem Punkt, an dem das kleinste interessierende Bild einen merklichen Bruchteil eines lichtempfindlichen Elementes überdeckt. Eine weitere Vergrößerung, bis das kleinste

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interessierende Bild eine Sektion der Anordnung von 3 Elementen mal 3 Elementen als Minimum überdeckt, ist erforderlich, ehe die Fähigkeit des Analysators, Blasen zu eliminieren, verwendet werden kann.

Fig. 4 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der lichtempfindlichen Anordnung in vereinfachter schematischer Form. Ein Teil der Anordnung ist zur Vereinfachung der Zeichnung dargestellt. Ein Detail 401 einer Einheitszelle 402 ist ebenfalls dargestellt, und das ist typisch für alle Zellen der Anordnung. Im dargestellten Beispiel ist die Anordnung in einer zweidimensionalen Matrix organisiert, die 100 Spalten 403 und 100 Zeilen 404 aufweist, oder 10.000 Kreuzungspunkte 405, die 10.000 lichtempfindlichen Elementen entsprechen. An jedem Kreuzungspunkt befindet sich eine Einheitszelle 402. Im Detail der Einheitszelle 402 ist erkennbar, daß hier vorgesehen sind: eine Silizium-Photodiode 406, ein Kondensator 407, der zur Silizium-Photodiode 406 parallel geschaltet ist, ein Analogschalter 408, ein UND-Gatter 410 und ein Treiber 4ll, der den Analogschalter 408 treibt.

Jede Zelle hat zwei Logikeingänge, die mit dem UND-Gatter 410 verbunden sind, einen Rückanschluß 412 und einen Videoausgang 413. Jeder Rückanschluß ist mit einer gemeinsamen Rückschiene 415 verbunden, und jeder Videoausgang 413 ist mit einer Videoschiene 4l6 verbunden. Der Signalfluß durch die Videoschiene und die gemeinsame Schiene 415 wird durch den Zustand des Analogschalters 408 gesteuert, der in Reihe mit dem gemeinsamen Anschluß 412, dem Videoausgang 413 und der Photodiode 406 ist, der der Kondensator 407 parallel liegt. Der Zustand des Analogschalters 408 wird seinerseits durch den Zustand gesteuert, der an den Logikeingängen der Zelle vorhanden ist.

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Für jede Spalte der Anordnung ist ein Eingang jeder Zelle mit einer gemeinsamen Schiene verbunden, während in jeder Zeile der Anordnung der andere Eingang mit einer gemeinsamen Schiene verbunden ist. Es ist damit möglich, irgendeine bestimmte Zelle dadurch anzuwählen, daß das entsprechende Paar von gemeinsamen Spalten- und Zeilen-Schienen oder -Leitern gewählt und erregt wird, so daß die Photodioden-Kondensator-Kombination 407 und über den Analogschalter 408 mit der Videoschiene verbunden wird. Die Wählrate wird normalerweise auf einen festen Wert gesteuert, so daß die Belichtungszeit ebenfalls gesteuert wird, wenn mit kontinuierlicher Beleuchtung gearbeitet wird. Wenn jede Zelle ausgewählt ist, wird der Kondensator 407, der parallel zur Photodiode 406 liegt, mit der Videoschiene 4l6 verbunden, und auf die Potentialdifferenz geladen, die zwischen der Videoschiene 416 und der Rückschiene 415 besteht. Während des Restes der Zykluszeit entlädt der Photostrom der Photodiode 406 den Kondensator mit einer Rate, die von der Belichtung abhängt, der die Diode ausgesetzt ist. Wenn irgendeine Belichtung fehlt, fließt kein Strom durch die Diode 406, und der Kondensator 407 bleibt voll geladen. Wird die gleiche Diode 406 wiederholt unter Dunkelbedingungen angewählt, ergibt sich keinerlei Signalstrom in der Videoschiene 4l6. Wenn jedoch irgendeine Belichtung auf die Photodiode 406 fällt, wird der Kondensator 407 proportional zur mittleren Beleuchtungsintensität entladen. Wird die Einheitszelle 402 unter dieser Bedingung mit der Videoschiene 416 verbunden, ergibt sich ein Ladungsfluß von der Videoschiene 4l6 in den Kondensator 407. Die durch diesen Prozeß erzeugten Stromimpulse stellen den Videoausgang der Anordnung dar.

Ein Anwählen der Dioden 406 in einer ordentlichen Folge wird dadurch erleichtert, daß zwei Earallelzugriff-Schieberegister und 418 von je 100 Bit vorgesehen werden, von denen jeweils

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ein Ausgang eine der Leitungen treibt, die den Spalten- bzw. Zeilen-Logikschienen entsprechen. Beim Start einer Folge führt ein Startimpuls von einem Startimpulsgenerator 304 für die lichtempfindliche Anordnung ein Bit in den Startimpulseingang beispielsweise des Spalten-Schieberegisters 417 ein. Bei Jedem folgenden Taktimpuls schreitet das Bit sequentiell das Register durch, so daß jede Spaltenschiene erregt wird und damit ein Eingang der Gatter aller Einheitszellen 402 vorbereitet wird, der mit der Schiene verbunden ist. Wenn ein ähnliches Bit in das Zeilenregister 418 eingeführt wird, und das Zeilenregister Jeweils um eine Position fortgeschaltet wird, wenn das Spaltenregister einen Zyklus vollendet hat, wird eine sequentielle Abtastung Jedes einzelnen Elementes der Anordnung durchgeführt.

Wenn eine kontinuierliche Beleuchtung verwendet wird, nutzt der Betrieb der Anordnung in der Betriebsweise Ladungsspeicherung, Ladungsabfuhr voll die natürlichen Empfindlichkeiten der Dioden aus, da der Lichtstrom über praktisch die gesamte Zykluszeit der Anordnung integriert wird. Bei Verwendung mit stroboskopischer Beleuchtung geht dieser Vorteil verloren, das kann Jedoch dadurch kompensiert werden, daß höhere momentane Lichtintensitäten verwendet werden.

Die Beleuchtungsquelle ist komplizierter, wenn eine stroboskopische Beleuchtung verwendet wird, die Speichereigenschaft der Anordnung macht Jedoch eine stroboskopische Beleuchtung erwünscht. Indem stroboskopische Quellen mit hoher Intensität und kurzer Dauer verwendet werden, ist ein "Bewegungsstop"-Betrieb mit Geschwindigkeiten möglich, die um Größenordnungen höher liegen als es derzeit mit analogen Kamerasystemen möglich ist. Beispielsweise können Lichtdauern von nur 200 Nanosekunden verwendet werden. Innerhalb dieser Zeitperiode kann ein Vollbild von Partikelbildern aufgezeichnet werden, entsprechend der gesamten Bildabtastung eines analogen

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Fernsehkamerasystems. Das Bild, das auf die Anordnung auftrifft, wird als Ladungsverarmung in den Kondensatoren gespeichert, die jeder Diode parallel liegen. Die Dauer, Intensität und die Öffnung der Optik können alle so eingestellt werden, daß ein Video-Ausgang-(Ladungs-Wiedererholung)-Signal erhalten wird, das äquivalent dem optimalen Videoausgang mit konstanter Beleuchtung ist, jedoch ohne die Bildverfälschung, die sich ergeben würde, wenn das Bild für die Zeit beleuchtet würde, die zum Abtasten der Anordnung erforderlich wäre.

Die der Anordnung innewohnende Bildspeichereigenschaft erlaubt es, die Anordnung in Anwendungsfällen mit hoher Probengeschwindigkeit zu verwenden, ohne daß Bildverzerrung oder Zählzweideutigkeiten auftreten können, die sich aus einer Bewegung der Probe ergeben.

Eine Abstandsmessung unter Verwendung der Anordnung unterscheidet sich deutlich von der Technik, die dazu verwendet wird, den Ausgang einer analogen Fernsehkamera in Abstandseinheiten umzuwandeln. In der Anordnung ist die Position jeder Quelle von Videodaten bekannt, ohne daß auf Bildraten, Abtastraten oder den Zeitpunkt des Beginns jeder aufeinanderfolgenden Abtastung Bezug genommen werden muß. Da Abtast-Spannungsvorläufe nicht erforderlich sind, werden Linearitätsprobleme, die bei analogen Systemen störend auftreten, vollständig vermieden. Die Zeitgabe ist unkritisch, da die Verarbeitung des Video unabhängig vom Datenabfrageprozeß stattfindet. Tatsächlich ist ein voll asynchroner Betrieb leicht erreichbar und kann sogar die bevorzugte Betriebsweise in Anwendungsfällen sein, bei denen große Variationen der Probendurchflußraten auftreten.

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Die Anordnung ist naturgegebenermaßen mit digitalen Verarbeitungstechniken verträglich. Ausgangssignale von der Anordnung werden mittels eines Impuls-Digital-Konverters 34 digitalisiert, der alle Video-Impulse als digitale Wörter wiedergibt, die von der Amplitude der Impulse abhängen. Falls eine Grauskaleninformation nicht erforderlich ist, kann die Umwandlung in der Weise vereinfacht werden, daß ein Ausgangssignal mit zwei Zuständen abgegeben wird, wobei das Vorhandensein eines . Partikelbildes durch eine "1" repräsentiert wird und das "V Fehlen eines solchen Bildes durch eine "0". Zur Vereinfachung wird die bevorzugte Ausführungsform als Anordnung mit zwei Zuständen des Lichtwertes beschrieben. Die Anforderungen an die Speicherkapazität und die Zykluszeiten werden proportional herabgesetzt, wenn die Grauskalenunterschiede des Bildes reduziert werden.

Die Lage jeder Video-Quelle und dementsprechend die Lage jedes Partikels ist durch das ^H0"-ⁿl^H-Muster bekannt, das in dem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert ist, und durch die einfache Maßnahme, den Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff in einem zweidimensionalen Format von Spalten und Zeilen zu organisieren, dessen Ausmaß gleich dem der Anordnung der lichtempfindlichen Dioden ist, wobei die gleiche Digital- \ schaltung, die die Spalten und Zeilen der Anordnung treibt, auch zur Lokalisierung und Speicherung der Video-Daten von jedem Element in einer entsprechenden Speicherstelle verwendet werden kann.

In Fig. 3 sind weitere Einzelheiten der Steuerlogik 37 der Anordnung und ihre Beziehung zum Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gemäß Fig. 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes dargestellt. Die zur Durchführung der Funktionen Rechnung, statistische Analyse und Wiedergabe erforderliche

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Logik kann entweder durch fest verdrahtete spezielle Logikschaltungen oder durch einen programmierten Spezialrechner realisiert werden. Die bevorzugte Ausführungsform wird allgemein beschrieben, so daß sie für beide Fälle zutrifft.

Die Logikfunktionen werden durch einen Systemtaktgeber 306 getaktet und hinsichtlich der Operationsfolge, Unterbrechungsprioritäten und Folgen von Unterfunktionen durch eine Funktions-Folge-Steuerung 307 gesteuert.

Drei getrennte, wenn auch miteinander zusammenhängende Funktionen, Akkumulation, Analyse und Anzeige von Daten werden bei der Analyse von Partikelproben benutzt. Fünf Funktionen werden verwendet, um das Probenströmungsmittel, die Probenkammer und das optische System innerhalb der gewünschten Betriebsbereiche des Analysators zu halten. Es ist möglich und erwünscht, einige dieser letzteren fünf Funktionen, oder auch alle diese fünf Funktionen, in solchen Anwendungsfällen wegzulassen, die durch enge Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit, Partikeldichte und Partikelgröße gekennzeichnet sind. Der Vollständigkeit halber zeigt die bevorzugte Ausführungsform alle Funktionen, die für Anwendungsfälle mit höchsten Forderungen benötigt werden.

Es soll zunächst die Funktion der Datenakkumulation betrachtet werden. Ein Zeilenende- und Bild-Zähler 301 spricht auf Impulse an, die die Spalten- und Zeilen-Register der Anordnung entsprechend der Auswahl jeder Einheitszellenposition in der Anordnung 32 treiben. Taktimpulsen entsprechende Impulse, die das Spalten-Schieberegister treiben, zeigen an, welche der Spaltenleitungen zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt gewählt ist. In gleicher Weise zeigen den Taktimpulsen entsprechende Impulse des Zeilen-Schieberegisters an, welche Zeilenleitung angewählt ist. Dadurch, daß diese Impulseingänge gezählt werden, sind das Ende jeder Zeile und das Ende jedes Bildes bekannt, und wiederum

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ist die Komplettierung der Datenübertragung von der Anordnung zu einem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff ebenfalls bekannt.

Da die Anzahl der Impulse vom Beginn der Abtastung die Position der Einheitszelle anzeigt, die das Video-Ausgangssignal liefert, wird die Speicherung der Bilddaten in einem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff erleichtert. Räumliche Beziehungen zwischen Partikeln und Partikelabmessungen werden im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert gehalten, bis eine Identifizierungsmarkierung Jeder Datengruppe hinzugefügt worden ist, die ein Partikel repräsentiert. :

Die Synchronisierung der Lichtquelle, die erforderlich ist, wenn stroboskopische Beleuchtung verwendet wird, wird durch einen Lichtquellen-Energieversorgungs-Trigger 303 erreicht, der auf einen Daten-Beginn-Befehl von der Funktionsfolgesteuerung anspricht. Diese Schaltung erzeugt einen präzise gezeiteten Impuls,, der die Stromversorgung 15 der Lichtquelle aktiviert, wodurch dafür gesorgt wird, daß die Lichtquelle 14 Licht für

,und
eine Zeitspanne/Kit einer Intensität abgibt, die entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und der Turbulenz der Probe gewählt sind.

Im Anschluß an die Beendigung des Lichtimpulses signalisiert ein Diodenanordnungs-Startimpulsgenerator 304, daß neue Daten von der Anordnung verfügbar sind, und eine Abfrage der Anordnung beginnt, wobei der Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff die gespeicherten Daten von der Anordnung aufnimmt und fortfährt, bis das Bildende-Signal, das am Eingang 328 empfangen wird, anzeigt, daß alle Daten von der Anordnung aufgenommen sind und im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert sind. Die Datenakkumulation ist damit für dieses

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Datenbild beendet, und der Analysator ist bereit, einen anderen Datensatz zu akkumulieren, indem wieder die Lichtquelle entsprechend einem Befehl von der Funktionsfolgesteuerung 307 in Betrieb gesetzt wird.

Die Datenanalyse wird auf Grund eines Befehls von der Funktionsfolgesteuerung 307 vom Partikelmarkierungsgenerator und Statistikakkumulator 312 eingeleitet. Diese Schaltung fragt das Datenbild, das im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert ist, ab, und teilt einer Datengruppe eine eindeutige Identifizierungsmarkierung zu, wenn eine Datengruppe detektiert wird, die einen Partikel repräsentiert. Diese Identifizierungsmarkierung wird zusammen mit der Datengruppe im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert. Wenn danach die Partikelcharakteristiken, die durch die Datengruppe repräsentiert werden, bestimmt sind, werden sie mit der Identifizierungsmarkierung assoziiert und ebenfalls in dem Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert.

Für Jeden Partikel, der mit Markierungsidentifizierungen assoziiert ist, sind Daten verfügbar, die den Querschnitt des Partikels repräsentieren, d.h., sein Silhouettenbild. Aus diesen Daten können mittels digitaler Berechnung die maximalen und minimalen Sehnen des Partikels, sein Umfang, seine Fläche und die ungefähre Form abgeleitet werden. Durch Analyse jedes Bildes auf Licht in der Mitte hin können Blasen in der Probe detektiert und aus der Statistik eliminiert werden.

Im Grenzfall kann eine Datengruppe aus dem Ausgangssignal von nur einer Zelle 402 der Anordnung 32 bestehen, entsprechend einem Partikelbild, das etwa die gleiche Fläche hat wie der empfindliche Teil einer Siliziumphotodiode 406. Während diese Datengruppe zwar ausreicht, die Zählung eines Partikels zu registrieren, enthält sie keinerlei Information hinsichtlich

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der Form des Partikels. Damit eine minimale Mustererkennung und Formsortierung durchgeführt werden kann, muß das Bild des Partikels wenigstens drei mal drei Segmente der Anordnung 32 überlappen, wie bereits beschrieben worden ist.

Die Flächen der einzelnen Partikel werden durch einen Partikelflächenakkumulator und Formfaktorgenerator 314 bestimmt. Die Flächen können auf Grund der naturgegebenen Meßeigenschaften der Anordnung 32 einfach dadurch bestimmt werden, daß die Anzahl benachbarter Einheitszellen gezählt wird und die von der Summe repräsentierten Flächen bestimmt werden, wobei der ■Vergrößerungsfaktor berücksichtigt wird, der für die Optik 26, 27, 30 und 31 gewählt worden ist.

Partikelformen werden vom Partikelflächenakkumulator und Formfaktorgenerator 314 identifiziert und in gewählte Kategorien klassifiziert. In vielen Anwendungsfällen ist es wichtig» nur zwei Formen zu unterscheiden, beispielsweise kann es notwendig sein, Steinfragmente von bearbeitbaren Materialien zu unterscheiden. In solchen Fällen kann eine Histögram-Anzeige beider Formen auf der gleichen Kathodenstrahlröhre vorgesehen werden, so daß ein schneller Vergleich der relativen Verteilung; beider Partikeltypen ermöglicht wird.

In allen Fällen ist es erwünscht, Blasen aus der Statistik zu eliminieren. Die Mustererkennungsfähigkeit des Analysators : sorgt für eine Möglichkeit, dieses Ergebnis ebenso zu erreichen, wie die Sortierung echter Partikel in Formen.

Mit ^eder Markierung assoziierte Daten können nach der Charakterisierung hinsichtlich Größe oder Form dann in Bereiche hinsichtlich irgendeiner der gewählten Charakteristiken klassifiziert werden, und zwar von der Partikelgröß©n- und Typen-Klassifikationseinrichtung und Akkumulator 316.

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Kleine Partikel, die mit größeren Partikeln zwischen der Lichtquelle 14 und der Anordnung 32 ausgefluchtet sind, werden nicht als Datengruppe registriert, da ihre Silhouetten von den größeren Partikeln überlappt werden. In den Situationen, in denen es wichtig ist, die Zählung kleinerer Partikel zu registrieren, addiert der Koinzidenzkompensator 315 Zählungen zu den Zählungen kleinerer Kategorien proportional dem Verhältnis der Fläche der größeren Partikel zur gesamten Probenfläche. Dadurch werden auf mittlerer Basis Fehler korrigiert, die auf die beschriebene Koinzidenz zurückzuführen sind.

Die akkumulierten und klassifizierten Daten, die im Speicher mit willkürlichem Zugriff für jedes Bild gespeichert sind, stehen für einen direkten Zugriff durch Ausleseschaltungen zur Verfügung, oder sie können weiter in einem Pufferspeicher akkumuliert werden, zur weiteren Mittelwertsbildung und Formierung der Daten zu beispielsweise einer Histogramm-Anzeige.

Viele Anzeigetypen sind mit dem Partikelanalysator verwendbar. Die bevorzugte Ausführungsform arbeitet mit einer Kathodenstrahlröhren-Anzeige 39» weil diese leicht verändert werden kann, um unterschiedlichen Anforderungen Rechnung zu tragen, in der Lage ist, schnellen Informationsänderungen zu folgen, und eine hohe Informationsdichte liefert. Die Wahl der Anzeigeart, der Bereiche und der Skalenfaktoren wird in der bevorzugten Ausführungsform von einem Anzeigesteuerpult 42 vorgenommen, das Eingänge für einen Kathodenstrahlröhren-Anzeige-Formatgenera tor 317 aufbaut.

Die bedeutungsvollste Datenanzeige beruht vorzugsweise auf der Analyse und statistischen Akkumulation einer großen Anzahl von Datenbildern. Sobald eine Anzahl von Bildern analysiert worden ist, ist es möglich, den Mittelwert ihrer Statistiken zu bestimmen, und diesen Mittelwert anzuzeigen, während ein einzelnes

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Datenbild eine vollständig unrealistische Schätzung der Gesamtprobencharakteristik geben kann. Nachdem der Mittelwert einer Anzahl von Bildern akkumuliert worden ist, können die Daten kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht werden, entsprechend dem letzten Datenbild, indem die ältesten Daten aus dem Pufferspeicher gelöscht werden und durch Daten vom neuesten Datenbild ersetzt werden. Da jedes Mal, wenn Daten aufgefrischt werden, ein Datenbild addiert und ein Bild subtrahiert wird, repräsentieren die angezeigten Daten immer die akkumulierten und gemittelten Daten der gleichen Anzahl von Bildern, so daß die statistische Fluktuation geglättet wird, die von Bild zu Bild auftritt.

Eine brauchbare Organisation der Anzeige ist in Fig. 5 dargestellt. Die vertikale Achse 501 repräsentiert die Menge und die horizontale Achse 502 die Partikelgröße. Da der Prozeß kontinuierlich ist, ist die vertikale Achse nicht als Gesamtmenge angezeigt, sondern als Menge pro Zeiteinheit. In der als Beispiel gewählten Anordnung ist es wichtig zu wissen, wann die Partikelgrößen auf eine bestimmte Größe oder kleiner reduziert worden sind. Bei der Erzaufbereitung werden Partikel entsprechend ihrer Möglichkeit charakterisiert, durch ein Sieb mit bestimmten Abmessungen hindurchzutreten. Die unterbrochene vertikale Linie 503 repräsentiert eine spezielle Siebgröße. Alle Partikel, die durch Daten links von dieser Linie repräsentiert sind, gehen durch ein solches Sieb hindurch, während alle Partikel, die durch Daten rechts von dieser Linie repräsentiert sind, nicht hindurchgehen. Eine einfache arithmetische Rechnung auf der Basis der gespeicherten Daten kann dazu verwendet werden, den Prozentsatz zu berechnen, der von dem Sieb zurückgehalten wird, und den, der durch das Sieb hindurchgeht. Diese Information wird im Bereich 504 angezeigt.

Daten, die auf Eingängen von den Durchflußmessern und dem Densitometer basieren, können dazu verwendet werden, andere Statistiken

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zu berechnen, wie Dichte und Gewichtsprozentsatz an Festkörpern. Numerische Berechnungen dieser Statistiken werden mit einem Datenanzeigeskalierer 318 durchgeführt. Die Aufnahme der Durchflußraten- und Dichte-Daten wird durch eine Multiplexsteuerung und Hilfsdatenakkumulator-Anordnung 323 durchgeführt.

In vielen Anwendungsfällen kann der Analysator befriedigend unter Verwendung von Probendurchflußraten arbeiten, die durch den Ursprung des Probenströmungsmittels bestimmt sind. In einigen Anwendungsfällen ist es jedoch notwendig, die Probendurchflußraten in einen Bereich zu bringen, den der Analysator verwerten kann. Die Probengeschwindigkeiten werden mit einem Durchflußmesser 10 bestimmt, dessen Ausgangssignal von einem Multiplexer und Analog-Digital-Konverter 33 aufgenommen und in Digitaldaten umgewandelt wird. Die Digitaldaten werden mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen, die im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeichert sind, und wenn sie außerhalb dieser Grenzen liegen, werden ein Ventil 23 und eine Pumpe nachgestellt, um die Probengeschwindigkeit zu erniedrigen oder zu erhöhen, Je nach Erfordernis.

In einigen Anwendungsfällen wird die Probenturbulenz so hoch, daß die lichtempfindliche Anordnung wenig oder kein Licht erhält, so daß der Analysator nicht mehr in der Lage ist, zwischen Partikeln zu unterscheiden. Die bevorzugte Ausführungsform arbeitet mit einer Helligkeitssteuerungsschleife, die die Lichtquellenintensität über Steuereingang 41 steuert, einer Verdünnungssteuerungspumpe 21 und einem Verdünnungssteuerungsventil 20, die dazu verwendet werden, die Bildhelligkeit in akzeptable Grenzen zu bringen. Ein quantitatives Maß für die Probenturbulenz wird dadurch verfügbar, daß die Intensität des durch die Probe durchgelassenen Lichts mit der der Lichtquelle selbst verglichen wird, wie es durch den Lichtleiter 42 zum optischen System übertragen wird.

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Eine Probenverdünnungssteuerung 309 spricht auf Bildhelligkeitsdaten von der Anordnung an. Wenn die Helligkeit innerhalb eines akzeptablen Bereiches ist, werden weder die Helligkeit noch die Verdünnung nachgestellt. Wenn die Helligkeit in der Bildebene jedoch unter dem normalen Wert liegt, stellt sich die Steuerung auf diesen Unter-Normal-Zustand dadurch ein, daß sie zunächst bestimmt, ob eine Erhöhung der Helligkeit möglich ist. Wenn die Lichtquelle mit maximaler Ausgangsleistung arbeitet und keine weitere Steigerung erreicht werden kann, stellt die Steuerung die Verdünnung nach, bis die Probenturbulenz niedrig genug ist, um ein Bild akzeptabler Helligkeit zu liefern. Wenn keines dieser Ergebnisse erreicht wird, wird ein Alarm aktiviert, der das Bedienungspersonal davon in Kenntnis setzt, daß die Probenbedingungen sich außerhalb des Bereiches des Analysators befinden.

Je nach der Zusammensetzung des Probenströmungsmittels kann die Probenkammer unter Ablagerungen von Material leiden, die die Schärfe und den Kontrast des Bildes reduzieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Probenkammer-Säuberungs-Folgesteuerung 310 vorgesehen, die den Bildkontrast und die Schärfe dadurch bestimmt, daß die Abruptheit der Änderung der Bildintensitäten an der Kante des Bildes bewertet wird. Das Fehlen von Kontrast und Schärfe wird, wenn es vorhanden ist, festgestellt, und eine Probenkammer-Säuberungsroutine eingeleitet. Ein Ventil 17 und eine Pumpe 18 liefern Säuberungs-Strömungsmittel durch den Säuberungs-Strömungsmittel-Einlaß, und dieses entfernt Ansammlungen aus der Probenkammer. Während dieses Vorganges werden keine Daten vom Analysator aufgezeichnet. Nach Beendigung der Säuberungsroutine wird eine Datenakkumulation wieder eingeleitet. Wenn die Säuberung nicht ausgereicht hat, um die Ansammlungen zu entfernen, wird ein Alarm aktiviert, der das Bedienungspersonal davon in Kenntnis setzt, das sich die Probenkammer-Bedingungen unter dem akzeptablen Minimum befinden.

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Das Verhältnis von Partikelgrößen, die unter Verwendung der beschriebenen Anordnung genau analysiert werden können, beträgt etwa 100 : 1. Im Prinzip kann die Erfindung dadurch ausgeführt werden, daß größere Anordnungen mit einer größeren Anzahl von Elementen verwendet werden, praktische Überlegungen machen jedoch eine Ausdehnung des minimalen und maximalen Partikel- größenbereiches durch Änderung der optischen Elemente wünschenswerter. Dementsprechend wird in der bevorzugten Ausführungsform ein optisches System 26, 29, 30 und 31 mit variabler Vergrößerung verwendet, das mit einem Vorgelege 28 einstellbar mit einem Schrittmotor 29 verbunden ist, der auf den Ausgang der Steuerung 328 für das optische System anspricht. Die im Speicher 36 mit willkürlichem Zugriff gespeicherten Bilddaten werden hinsichtlich ihrer Fähigkeit analysiert, Netzlinien aufzulösen, die auf die Wände der Probenkammer geritzt sind. Die Abmessungen des Gitterlinienbildes, wie es auf die Anordnung projiziert wird, werden mit den gewählten Grenzen der Partikelgröße verglichen, denen der Analysator Rechnung tragen soll. Wenn die Netzabmessungen anzeigen, daß eine ausreichende Vergrößerung verfügbar ist, um eine Auflösung der kleinsten Partikelgrößen zu erreichen, die analysiert werden sollen, erfolgt keine Änderung. Wenn jedoch die Bildgröße des kleinsten Partikels unter das für die Analyse erforderliche Minimum fallen würde, aktiviert die Steuerung für das optische System den Schrittmotor 29» so daß eine entsprechende Nachstellung der Vergrößerung erfolgt. Ein ähnlicher Vorgang wird verwendet, wenn die größte Partikelgröße, die analysiert werden kann, der entscheidende Gesichtspunkt ist.

Es ist zwar eine spezielle Ausführungsform beschrieben worden, selbstverständlich können viele Variationen des Partikelanalysators innerhalb des Erfindungsgedankens ausgeführt werden. Eine bewegungslose Probe kann beispielsweise für gewisse Laboranwendungen erwünscht sein, und eine fast grenzenlose Variation der verwendeten Anzeigearten ist möglich.

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Claims

R14 Pl D

Patentansprüche

/jÜ Anordnung zum Bestimmen ausgewählter körperlicher Eigenschaften von Partikeln in einer Probe mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Probe und einem optischen System, mit dem ein Bild der beleuchteten Probe in einer Brennebene erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von lichtempfindlichen elektronischen Elementen in einer Anordnung mit bekannten und festen Abständen zwischen den Elementen angeordnet sind, wobei . jedes Element in der Brennebene des optischen Systems angeordnet ist, eine Abfrageeinrichtung, mit der individuell der Beleuchtungspegel bestimmt wird, der auf jedes lichtempfindliche elektronische Element auffällt und ein elektrischer Ausgangsstrom analog dem Beleuchtungswert erzeugt wird, eine Quantisierungseinrichtung, die Jeden analogen Ausgang von der Abfrageeinrichtung aufnimmt und . jeden analogen Ausgang in digitale Daten umwandelt, die den Beleuchtungspegel repräsentieren, der auf jedes Element der Anordnung auftrifft, eine Speichereinrichtung, mit der die digitalen Daten aufgenommen und wieder auffindbar gespeichert werden, eine digitale Recheneinrichtung, die mit der Speichereinrichtung zusammenwirkt, um digitale Daten so zu verarbeiten, daß die gewählten körperlichen Charakteristiken bestimmt werden, und eine Ableseeinrichtung, die den Ausgang der digitalen Recheneinrichtung aufnimmt und den Ausgang zur Weiterleitung an eine Anzeige oder Steuerung verarbeitet, vorgesehen sind.

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2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Bestimmen der gewählten physikalischen Charakteristiken von Partikeln, die in einem strömenden Medium enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probenkammer mit wenigstens einer transparenten Seite und einem Einlaß und einem Auslaß vorgesehen ist, und eine Einrichtung, mit der eine Probe des Partikel enthaltenden strömenden Mediums bekannter Verdünnung und bekannter Durchflußrate durch die Einlaßöffnung in die Probenkammer eingelassen und aus dem Auslaß aus der Probenkammer entfernt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet _t daß das optische System eine Optik mit variabler Vergrößerung und fester Brennweite ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle monochromatisch ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch. gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Recheneinrichtung derart ausgelegt ist, daß die digitalen Daten in der Weise verarbeitet werden, daß die Gesamtanzahl der Partikel, die Anzahl der Partikel in einem spezifizierten Größenbereich, die Anzahl von Partikeln einer spezifizierten Form und die Anzahl von Partikeln spezifizierter Größe und Form pro Volumeneinheit der Probe bestimmt werden.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet _t daß eine Kathodenstrahlröhren-Anzeige in Form eines Histogranms vorgesehen ist, das kontinuierlich

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entsprechend der Ausleseeinrichtung revidiert wird, um
in Echtzeit die relative Verteilung von Partikeln in
spezifizierten Größenbereichen zu zeigen.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, daß eine Lichtquellensteuerung vorgesehen ist, die an Bedingungen der Probenturbulenz anpaßbar ist, um Beleuchtungspegel zu erreichen, die ausreichen, um von den lichtempfindlichen elektronischen Elementen detektiert zu werden.

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