DE3700286A1 - Verfahren zum beleuchten von in einem medium befindlichen partikeln fuer eine optische analyse und ein optischer partikelanalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beleuchten von in einem Medium befindlichen Partikeln für eine optische Analyse, wobei das Medium mit einem Fenster in Berührung steht und auf das Medium ein durch das Fenster gehender, die Partikeln beleuchtender Lichtstrahl gerichtet wird, und zwar zur Ausformung eines Bildes der Partikeln, und auf einen Partikelanalysator, wobei das obenerwähnte Verfahren ausgenutzt wird.

Solche Verfahren zum Beleuchten von Partikeln und Analysatoren, die diese Verfahren ausnutzen, sind in der Industrie sehr bekannt. In der Industrie ist es zur Zeit allgemein, dass Material als Partikelsuspension in einem Medium, z.B. in einer Flüssigkeit, transportiert oder behandelt wird. Die Partikel kann dabei z.B. ein Kristall, eine Faser, ein Korn, eine Blase, ein Tropfen usw. sein. Das Medium kann z.B. Wasser oder auch ein geeigneter, gasförmiger Stoff sein.

Für Verfolgung und Regelung verschiedener Herstellungsprozesse sind Auskünfte über die Menge, Grössenverteilung oder Form der Partikeln erforderlich. Es ist vorteilhaft, wenn diese Auskünfte schnell und kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden. Aus diesem Grund ist es klar, dass diese Auskünfte am besten aus einem Analysator erhalten werden könnten, der direkt an einem Prozessrohr oder einem Behälter misst. Dabei könnte man sicher sein, dass die gemessene Probe das richtige Bild des Prozesses gibt.

Mittels eines optischen Messprinzips kann ein Partikelanalysator zustandegebracht werden, in dem die Partikeln beleuchtet werden, und das von ihnen reflektierte Licht mit einem optischen Fühler gemessen wird. Die Wahl des optischen Fühlers hängt von der jeweiligen Analysenaufgabe ab. Dabei kann der optische Fühler also jeder beliebige sein, von einer einfachen Fotozelle zu einem Bild-Analysator mit vielen Elementen. Das reflektierte Licht kann auch mit blossem Auge oder mittels einer geeigneten Hilfsoptik untersucht werden. Das Wesentliche ist, dass die Beleuchtung der Partikeln so angeordnet ist, dass der beleuchtete Volumteil des Mediums genau abgegrenzt und bekannt ist. Wenn nur die Partikeln eines bestimmten Volumteils beleuchtet sind, wird ein guter Kontrast für das von dem optischen Fühler aufgenommene Bild erreicht. Was eine quantitative Analyse betrifft, wird ein entscheidender Vorteil erreicht, wenn man weiss, in einem wie grossen Flüssigkeitsvolumen die beleuchteten Partikeln sich befinden.

Von den vorbekannten Lösungen kann ein in der Zuckerindustrie übliches Kristallmikroskop erwähnt werden, wofür als Beispiel Jungner Crystal Projector Typ KP 3 angegeben werden kann. Eine solche Anordnung weist zwei Fenster auf, zwischen denen die zu messende Suspension fliesst. Die Fenster bilden zwei in einem Abstand von einander gelegene parallele Planflächen, deren Abstand von einander regulierbar ist. Die Partikeln, z.B. die Zuckerkristalle, werden durch das eine Fenster beleuchtet und ein Bild der Partikeln wird mit Hilfe eines hinter dem anderen Fenster befindlichen Objektivs aus­ geformt. Das Bild wird vergrössert auf eine Glasplatte mit matter Oberfläche projiziert, wobei das Betriebs­ personal die Grösse und Form der Partikeln verfolgen kann. Der Kontrast ist schwach, weil die beleuchteten Partikeln im Gegenlicht ersichtlich sind, wobei eine genaue, elektronische, automatisierte Bildanalyse nicht anwendbar ist. Quantitative Schlussfolgerungen können auch nicht gezogen werden, weil die Strömung in der Spalte zwischen den Fenstern kein richtiges Bild der Haupströmung gibt, d.h. die Probe ist nicht repräsentativ genug.

Eine zweite, sehr umfangreiche Gruppe bekannter Vorrichtungen besteht aus sog. Photometern, die die von den Partikeln veranlasste Lichtabsorption oder Lichtreflektion messen. Als ein typisches Beispiel für Photometer kann die in der US-Patentschrift 39 62 581 beschriebene Vorrichtung erwähnt werden. Für eine Vor­ richtung vom Photometertyp ist es kennzeichnend, dass die Beleuchtung von einem Lichtkegel gebildet wird, der ziemlich senkrecht durch das Prozessfenster geht. Ein Nachteil ist, dass der beleuchtete Volumteil nicht genau abgegrenzt ist, wobei die Vorrichtung nur zur quantitativen Bestimmung taugt, die auf einer Abstimm­ kurve basiert. Diese Abstimmkurve soll immer für jede praktische Anwendug experimentell bestimmt werden.

Als eine zweite bekannte Lösung vom Photometer­ typ kann ein sog. Total-Power-Verfahren erwähnt werden, das ein Teil des Nordmiljö 80-Projekts ist. Diese Lösung kann auch einige qualitative Auskünfte geben, zunächst über die Längenverteilung der Fasern. In der diese Lösung benutztenden Vorrichtung fliesst die Suspension in einem Glasrohr, und mit der Vorrichtung wird der Durchschnittswert und die zeitliche Dispersion des von den Partikeln reflektierten Lichts gemessen. Das Verhältnis zwischen der Dispersion und dem Durch­ schnittswert ist ein gewisses Mass der Partikelgrösse. Der Nachteil auch dieser Lösung ist, dass sie zur Messung direkt am Prozess nicht verwendet werden kann, denn die Probe fliesst in einer kleinen Messküvette. Somit ist die Repräsentationsfähigkeit der Probe frag­ würdig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dieses Verfahren anwendende Vorrichtung zustandebringen, mittels deren die obenerwähnten Nach­ teile eliminiert werden können. Dies wurde mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Lichtstrahl zu einem Strahl bearbeitet wird, dessen Dicke in der Richtung der Fensternormale vorbestimmt ist, und dass der Licht­ strahl gesteuert wird, in einem Partikeln enthaltenden Medium nahe bei der an das Medium grenzenden Oberfläche des Fensters und wesentlich parallel mit der Oberfläche zu laufen und somit die in einem genau vorbestimmten Volumteil des Mediums befindlichen Partikeln zur Aus­ formung eines optischen Bildes zu beleuchten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist ihrerseits dadurch gekennzeichnet, dass sie ein optisches Mittel umfasst, das angeordnet ist, einen von einer Lichtquelle aus­ gehenden Lichtstrahl in einen bandförmigen Strahl von genau vorbestimmter Dicke zu ändern, dass der bandför­ mige Lichtstrahl gesteuert ist, in einem Partikeln enthaltenden Medium nahe bei der an das Medium grenzenden Oberfläche des Fensters und wesentlich parallel mit der Oberfläche zu laufen, und dass zur Ausformung eines optischen Bildes ein Linsensystem angeordnet ist, das Licht einzusammeln, das von den Partikeln zurück durch das Fenster abstrahlt, welche Partikeln sich in einem von dem bandförmigen Lichtstrahl beleuchteten, genau bestimmten Volumteil der Mediumströmung befinden.

Der Vorteil der Erfindung ist, dass dadurch ein Analysator zustandegebracht wird, der eine genaue quantitative und qualitative Analyse der Partikeln direkt an der Haupströmung ausführen kann. Der beleuchtete Volumteil ist sehr genau bestimmt und kann leicht reguliert werden. Der Kontrast des von den Partikeln reflektierten optischen Bildes ist gut, weil die Partikeln auf einem unbeleuchteten Hintergrund gesehen werden. Der Vorteil ist auch, dass es möglich ist, durch Verfolgung der Verminderung der Beleuchtung der Partikeln in der Laufrichtung des Lichts zusätzliche Information zu erhalten. Anschliessend an eine quantitative Analyse ist auch der Vorteil vorhanden, dass mittels des Verfahrens auch die Bewegung der Partikeln gemessen werden kann, aus der die Geschwindig­ keit der Partikeln und weiter die Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums sich ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden mittels einer vorteilhaften Ausführungsform der in der beigefügten Zeichnung gezeigten Erfindung genauer beschrieben, wobei

Fig. 1 ein Prinzipbild der Konstruktion und Funktion einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt, und

Fig. 2 ein Prinzipbild eines genau abgegrenzten Volumteils zeigt.

In Fig. 1 werden die Konstruktion der erfindungs­ gemässen Vorrichtung und ihre Funktionsweise prinzipiell gezeigt. Eine zu messende, aus einem Medium und darin befindlichen Partikeln bestehende Partikelsuspensions­ strömung 1 und ein optisches System werden mittels eines Fensters 2 voneinander getrennt. Somit fliesst die Partikelsuspension in Fig. 1 oberhalb der Ober­ fläche des Fensters 2, wobei die Oberfläche des Fensters 2 an die Partikelsuspension grenzt.

Mit der Referenznummer 3 ist in Figur eine Lihtquelle bezeichnet. Ein von der Lichtquelle 3 ausgehender Lichtstrahl wird in der Richtung der Fenster­ normale in einen bandförmigen Strahl 5 von genau vor­ bestimmter Dicke geändert, und zwar durch Anwendung einer Kondensoroptik 4. Der obenerwähnte bandförmige Lichtstrahl wird erfindungsgemäss gesteuert, in einem Partikeln enthaltenden Medium nahe bei der an das Medium, d.h. an die Partikeln enthaltende Suspension, grenzenden Oberfläche 6 des Fensters 2 und dazu wesentlich parallel mit der Oberfläche 6 zu laufen. Unter dem Terminus wesentlich parallel versteht man in diesem Zusammenhang, dass der Winkel zwischen dem bandförmigen Strahl 5 und der Oberfläche 6 klein ist. Der Strahl und die Oberfläche befinden dich ausserdem nahe beieinander.

Wenn die Dicke des Lichtstrahls 5 genau bestimmt ist und der Strahl nahe bei der Oberfläche 6 und wesent­ lich parallel mit der Oberfläche 6 läuft, werden die in einem genau vorbestimmten Volumteil 9 der Mediumströmung befindlichen Partikeln 10 beleuchtet. Der obenerwähnte genaubestimmte Volumteil 9 wird in Fig. 2 gezeigt. Die beleuchteten Partikeln 10 werden dagegen in den Fig. 1 und 2 prinzipiell gezeigt. Die Laufsrichtung des Lichtstrahls 5 ist mittels Pfeile in Fig. 2 bezeichnet.

Das in der obenerwähnten Weise beleuchtete Bild der Partikeln 10 wird mittels eines Objektivlinsen­ system 7 projiziert, und in der Bildebene wird ein Bild 8 ausgeformt, das mit blossem Auge analysiert oder mittels eines Fühlers zu einer Nachricht bearbeitet werden kann.

Als Fenster kann ein normales Fenster mit parallelen Planflächen nicht verwendet werden, denn ein aus der Luft durch die eine Planfläche in das Fenster­ material kommende Lichtstrahl beugt sich im Material gegen die Flächennormale, woraus folgt, dass der Winkel zwischen dem durch die an das Medium grenzende Oberfläche ins Medium gelaufenen Lichtstrahl und der Oberfläche zu gross wird.

Das Fenster kann z.B. ein trapezförmiges Prisma sein. Das Prisma ist in den Beispielen der Figuren so angeordnet, dass die längere von seinen parallelen Seitenflächen die Oberfläche 6 bildet. Der bandförmige Lichtstrahl 5 ist dann gesteuert, durch die andere Schrägfläche 11 des Prismas zu laufen. Weil das Prismen­ material optisch dichter ist als das Medium, so beugt sich der Strahl 5 von der Flächennormale abwärts. Durch Wählen eines richtigen Eingangswinkels für den Strahl 5 werden der obenerwähnte bandförmige Strahl 5 und die Oberfläche 6 wesentlich parallel und befinden sich nahe beieinander. Der beleuchtete Volumteil 9 wird in der Richtung der Normale der Oberfläche 6 so geregelt, dass Begrenzer in der Kondensoroptik 4 angeordnet werden, die die Dicke des Strahls 5 genau auf den erwünschten Wert begrenzen. In der Ebene der Oberfläche 6 kann das Abgrenzen des Volumteils 9 z.B. mittels eines Begrenzers des Sichtfeldes des Objektivs 7 ausgeführt werden.

Das obenangeführte Ausführungsbeispiel ist keines­ wegs beabsichtigt, die Erfindung zu begrenzen, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche in vielen verschiedenen Weisen variiert werden. Somit braucht die erfindungsgemässe Vorrichtung oder ihre Teile nicht genau so sein, wie in den Figuren gezeigt wird, sondern auch andersartige Lösungen können verwendet werden. Das Fenster 2 kann auch aus einem andersförmigen Prisma ausgeformt werden, das z.B. die innere Reflektion des Prismas ausnutzt. Dabei sollen die Eingangsrichtung und der Eingangspunkt des Lichtstrahls so gewählt werden, dass der Strahl im Medium wesentlich parallel mit der an das Medium grenzenden Oberfläche und nahe bei der erwähnten Oberfläche läuft. Obgleich das obige Beispiel sich an die Analyse einer strömenden Partikelsuspension anschliesst, so ist es klar, dass das Verfahren und die Anordnung auch zum Analysieren einer nicht-strömenden Suspension verwendet werden kann. Der Lichtstrahl braucht auch nicht bandförmig sein, sondern ein andersartiger Lichtstrahl kann auch verwendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Beleuchten von in einem Medium (1) befind­ lichen Partikeln (10) für eine optische Analyse, wobei das Medium mit einem Fenster (2) in Berührung steht und auf das Medium ein durch das Fenster gehender, die Partikeln (10) beleuchtender Lichtstrahl (5) gerichtet wird, und zwar zur Ausformung eines Bildes (8) der Partikeln (10), wobei der Lichtstrahl (5) zu einem Strahl bearbeitet wird, dessen Dicke in der Richtung der Fensternormale vorbestimmt ist, und wobei der Lichtstrahl (5) gesteuert wird, in dem Partikeln (10) ent­ haltenden Medium (1) nahe bei der an das Medium (1) grenzenden Oberfläche (6) des Fensters (2) und wesentlich parallel mit der Oberfläche (6) zu laufen und so die Partikeln (10) in einem genau vorbestimmten Volumteil des Mediums (1) zu beleuchten, dadurch gekennzeichnet, daß als Fenster (2) ein trapezförmiges Prisma verwendet wird, wobei die längere von seinen parallelen Seitenflächen die an das Medium grenzende Oberfläche (6) des Fensters bildet, und daß der Lichtstrahl (5) gesteuert wird, durch die eine Schrägfläche (11) des Prismas zu laufen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Bild (8) aus dem von den Partikeln (10) zurück durch das Fenster (2) reflektierenden Licht ausgeformt wird.

3. Optischer Partikelanalysator, der ein an ein zu analysierende Partikeln (10) enthaltendes Medium (1) grenzend anzuordnendes Fenster (2), eine Lichtquelle (3), die angeordnet ist, die Partikeln (10) durch das Fenster (2) zu beleuchten, und ein Linsensystem umfaßt, das an­ geordnet ist, ein optisches Bild (8) der beleuchtenden Partikeln (10) auszuformen, wobei die Vorrichtung ein optisches Mittel umfaßt, das angeordnet ist, den von der Lichtquelle (3) ausgehenden Lichtstrahl (5) in einen band­ förmigen Strahl von genau vorbestimmter Dicke zu ändern, und wobei der bandförmige Lichtstrahl gesteuert ist, in dem Partikeln (10) enthaltenden Medium (1) nahe bei der an das Medium (10) grenzenden Oberfläche (6) des Fensters (2) und wesentlich parallel mit der Oberfläche zu laufen, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (2) ein trapezförmiges Prisma ist, wobei die längere von seinen parallelen Seitenflächen die an das Medium grenzende Oberfläche (6) des Fensters bildet, und daß der Lichtstrahl (5) gesteuert ist, durch die eine Schrägfläche (11) des Prismas zu laufen.

4. Partikelanalysator nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausformung eines optischen Bildes (8) ein Linsensystem (7) ange­ ordnet ist, das Licht einzusammeln, das von den Partikeln (10) zurück durch das Fenster (2) abstrahlt, welche Partikeln sich in dem von dem bandförmigen Lichtstrahl (5) beleuchteten, genau bestimmten Volumteil (9) der Medium­ strömung befinden.