FI112540B - Menetelmä väliaineessa olevien partikkeleiden valaisemiseksi optista analysointia varten ja optinen partikkelianalysaattori - Google Patents

Description

112540

Menetelmä väliaineessa olevien partikkeleiden valaisemiseksi optista analysointia varten ja optinen partikkelianalysaattori

Keksinnön kohteena on menetelmä väliaineessa olevien partikkelei-5 den valaisemiseksi optista analysointia varten, jossa väliaine on kosketuksissa ikkunan kanssa ja väliaineeseen kohdistetaan valolähteeltä tuleva, ikkunan läpi kulkeva, partikkeleita valaiseva valonsäde kuvan muodostamiseksi partikkeleista, jolloin ikkunana käytetään trapetsinmuotoista prismaa, jonka yhdensuuntaisista sivupinnoista pitempi muodostaa väliaineeseen päin olevan pin-10 nan, jolloin valonsäde muokataan säteeksi, jonka paksuus ikkunan normaalin suunnassa on ennalta määrätty, jolloin valonsäde ohjataan kulkemaan ikkunan muodostavan prisman toisen vinopinnan läpi ja edelleen partikkeleita sisältävässä väliaineessa lähellä ikkunan väliaineeseen rajoittuvaa pintaa ja olennaisesti yhdensuuntaisena pinnan kanssa ja näin valaisemaan väliaineen tarkasti 15 ennalta määrätyssä tilavuusosassa olevat partikkelit ja jolloin kuva muodostetaan partikkeleista takaisin ikkunan läpi heijastuvasta valosta. Keksinnön kohteena on myös partikkelianalysaattori.

Edellä mainitut partikkeleiden valaisumenetelmät ja niitä hyväksikäyttävät analysaattorit ovat teollisuudessa hyvin tunnettuja. Teollisuudessa on 20 nykyään yleistä, että materiaalia kuljetetaan tai käsitellään partikkelisuspensio-na väliaineessa esimerkiksi nesteessä. Partikkeli voi tällöin olla esimerkiksi ki-v : de, kuitu, rae, kupla, pisara jne. Väliaine voi puolestaan olla muukin kuin vesi, * ’ esimerkiksi jokin sopiva kaasumainen aine.

: ; Erilaisten valmistusprosessien seurantaa ja säätöä varten tarvitaan : : 25 tietoa partikkeleiden määrästä, kokojakautumasta tai muodosta. On edullista, . : mikäli edellä mainittu tieto saadaan käyttöön nopeasti ja jatkuvasti. Näin ollen .··.' on selvää, että ko. tiedot saataisiin parhaiten analysaattorista, joka mittaa suo raan prosessiputkesta tai säiliöstä. Tällöin voitaisiin olla varmoja, että mitattu näyte antaa oikean kuvan prosessista.

30 Optisen mittausperiaatteen avulla voidaan aikaansaada partikke lianalysaattori, jossa partikkelit valaistaan ja niiden heijastama valo mitataan : : optisella tunnistimella. Optisen tunnistimen valinta riippuu kulloisestakin ana lyysitehtävästä. Optinen tunnistin voi siis tällöin olla mikä tahansa alkaen yksinkertaisesta valokennosta päätyen monielementtiseen kuva-analysaattorin. 35 Heijastunutta valoa voidaan myös tutkia paljaalla silmällä tai sopivan apuoptii-kan avulla. Olennainen seikka on, että partikkeleiden valaistus on järjestetty 2 112540 niin, että valaistu väliaineen tilavuusosa on tarkasti rajattu ja tunnettu. Kun vain määrätyn tilavuusosan partikkelit on valaistu, saavutetaan hyvä kontrasti optisen tunnistimen vastaanottamalle kuvalle. Kvantitatiivisen analyysin kanalta saavutetaan ratkaiseva etu kun tiedetään, kuinka suuressa nestetilavuudessa 5 valaistut partikkelit ovat.

Aiemmin tunnetuista ratkaisuista voidaan mainita sokeriteollisuudessa yleinen kidemikroskooppi, joista voidaan esimerkkinä mainita Jungner Crystal Projector tyyppi KP3. Tällaisessa laitteessa on kasi ikkunaa, joiden välistä mitattava suspensio kulkee. Ikkunat muodostavat kaksi välimatkan päässä 10 toisistaan olevaa yhdensuuntaista tasopintaa, joiden etäisyyttä toisistaan voidaan säätää. Partikkelit, esimerkiksi sokerikiteet valaistaan toisen ikkunan läpi ja kuva partikkeleista muodostetaan toisen ikkuna takaa olevan objektiivin avulla. Kuva projisoidaan mattapintaiseen lasilevyyn suurennettuna, jolloin käyttöhenkilökunta voi seurata partikkeleiden kokoa ja muotoa. Kontrasti on 15 heikko, koska valaistut partikkelit näkyvät vastavalossa, jolloin tarkkaa elektronista automatisoitua kuva-analyysiä ei voida soveltaa. Kvantitatiivisia johtopäätöksiä ei voida myöskään tehdä, koska virtaus ikkunoiden välisessä raossa ei anna oikeata kuvaa päävirtauksesta, ts. näyte ei ole tarpeeksi edustava.

Toisen hyvin laajan tunnettujen laitteiden ryhmän muodostavat ns. 20 fotometrit, jotka mittaavat partikkeleiden aiheuttamaa valon absorptiota tai valon heijastusta. Tyypillisenä esimerkkeinä fotometreistä voidaan mainita US-patenttijulkaisusta 3 962 581 esitetty laite. Fotometrityyppiselle laitteelle on : ominaista, että valaistuksen muodostaa valokeila, joka kulkee melko koh- : ‘ , · tisuorasti prosessi-ikkunan läpi. Epäkohtana on se, että valaistu tilavuusosa ei . \ 25 ole tarkasti rajattu, jolloin laite kelpaa ainoastaan kvantitatiiviseen määrityk- : seen, joka perustuu virityskäyrään. Em. virityskäyrä on aina määriteltävä ko- _'.. ’ keellisesti jokaiselle sovellutukselle.

Edellä esitetyn tunnetun tekniikan mukaisten ratkaisujen epäkohtien eliminoimiseksi on aikoinaan kehitetty menetelmä väliaineessa olevien partik-: 30 keleiden valaisemiseksi optista analyysiä varten ja optinen partikkelianalysaat- ; tori, joka on kuvattu Fl-patenttijulkaisussa 77330 (US-patenttijulkaisu 4 776 697, JP-patenttijulkaisu 1 681 781, DE-patenttijulkaisu 3 700 286). Tämän tun-, . netun ratkaisun epäkohtana on valaistuksessa käytettävän valonsäteen kulma muuttaminen. Edellä mainittu seikka liittyy siihen, että koska laitteella on tarkoi-• 35 tus mitata partikkeleita erilaisissa väliaineissa, joiden taitekertoimet eroavat : toisistaan, täytyy valaistuksessa käytettävän valonsäteen kulmaa muuttaa tai- 3 112540 tekertoimen mukaisesti. Valaistuskulman säädön ei tarvitse olla jatkuvaa, mutta kulma täytyy voida asettaa sovellutuskohtaisesti, ts. aina, kun mitattavan väliaineen taitekerroin muuttuu. Toisena epäkohtana on se, että kulma, jonka partikkeleiden katselusuunta ja valaistuksen suunta muodostavat, on suuri, 5 jonka vuoksi analysaattorista tulee helposti epäkäytännöllisen kokoinen ja muotoinen. Näihin epäkohtiin ei Fl-patenttijulkaisussa puututa millään tavalla, ts. ko. julkaisussa ei edes millään tavalla ehdoteta, miten ko. epäkohdat voidaan korjata.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä ja optinen 10 partikkelianalysaattori, joiden avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan. Tähän on päästy keksinnön avulla. Keksinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että valolähteeltä tuleva valonsäde ohjataan ikkunana toimivan prisman läheisyydessä kulkemaan peilaavan pinnan ja sy-linterimäisen linssin kautta, jotka ohjaavat valonsäteen prismalle ja muuntavat 15 valolähteen siirtymän valonsäteen kulmamuutokseksi. Keksinnön mukainen optinen partikkelianalysaattori on puolestaan tunnettu siitä, että partikkelianalysaattori käsittää ikkunana toimivan prisman läheisyyteen sijoitetun peilaavan pinnan ja sylinterimäisen linssin, jotka on sovitettu ohjaamaan valolähteeltä tulevan valonsäteen prismalle ja muuntamaan valolähteen siirtymän va-20 lonsäteen kulmamuutokseksi.

Keksinnön etuna on ennen kaikkea se, että valaistuksessa käytettä-*' vän valonsäteen kulmaa pystytään säätämään erittäin yksinkertaisella tavalla väliaineen taitekertoimen mukaan. Etuna on edelleen se, että partikkeleiden : katselusuunta ja valaistussuunta ovat valolähteestä katsoen samat, jolloin ana- : 25 lysaattorista saadaan käytännöllisen kokoinen ja muotoinen. Keksinnön etuna . . : on myös sen yksinkertaisuus, jolloin keksinnön käyttöönotto muodostuu edulli- .· ··' seksi.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheisessa piirustuksessa kuvatun erään edullisen sovellutusesimerkin avulla, jolloin : 30 kuvio 1 esittää periaatteellisena kuvantona keksinnön mukaisessa ’ · · menetelmässä ja laitteessa käytettyä perusperiaatetta, kuvio 2 esittää periaatekuvantona tarkasti rajattua valaistua tila-, vuusosaa, jota käytetään hyväksi keksinnön perusperiaatteessa, kuvio 3 esittää keksinnön mukaista optista partikkelianalysaattoria 35 periaatteellisena sivulta nähtynä kuvantona ja 4 112540 kuvio 4 esittää keksinnön mukaista optista analysaattoria periaatteellisena perspektiivikuvantona.

Kuviossa 1 on periaatteellisesti esitetty keksinnön perusperiaate. Mitattavasta väliaineesta ja siinä olevista partikkeleista muodostuva partikke-5 lisuspensiovirtaus 1 ja optinen järjestelmä erotetaan toisistaan ikkunan 2 avulla. Näin ollen kuviossa 1 partikkelisuspensio virtaa ikkunan 2 yläpinnan yläpuolella, jolloin ikkunan 2 yläpinta rajoittuu partikkelisuspensioon.

Viitenumeron 3 avulla kuvioon 1 on merkitty valolähde. Valolähteestä 3 lähtevä valonsäde muunnetaan ikkunan normaalin suunnassa tarkasti en-10 naita määrätyn paksuiseksi nauhamaiseksi säteeksi 5 käyttämällä esimerkiksi kondensorioptiikkaa 4. Nauhamainen valonsäde ohjataan kulkemaan partikkeleita sisältävässä väliaineessa lähellä väliaineeseen, ts. partikkeleita sisältävään suspensioon rajoittuvan ikkunan 2 pintaa 6 ja lisäksi olennaisesti yhdensuuntaisena pinnan 6 kanssa. Termillä ’’olennaisesti yhdensuuntaisena” tarkoi-15 tetaan tässä sitä, että nauhamaisen säteen 5 ja pinnan 6 välinen kulma on pieni. Säde ja pinta ovat lisäksi lähellä toisiaan.

Valonsäteen 5 paksuuden ollessa tarkasti määrätty ja säteen kulkiessa lähellä pintaa 6 ja olennaisesti yhdensuuntaisena pinnan 6 kanssa, valaistaan väliainevirtauksen tarkasti ennalta määrätyssä tilavuusosassa 9 olevat 20 partikkelit 10. Edellä mainittu tarkasti määritelty tilavuusosa 9 on esitetty kuviossa 2. Valaistut partikkelit 10 on puolestaan esitetty periaatteellisesti kuviois-' ’ sa 1 ja 2. Valonsäteen 5 kulkusuunta on merkitty kuvion 2 nuolen avulla.

Edellä mainitulla tavalla valaistu kuva partikkeleista 10 projisoidaan ; objektiivilinssijärjestelmän 7 avulla ja kuvatasoon muodostetaan kuva 8, jota ;' : 25 voidaan analysoida paljaalla silmällä tai muokata viestiksi tunnistimen avulla.

Ikkuna voidaan muodostaa esimerkiksi trapetsinmuotoisesta .· , prismasta. Prisma on kuvion 1 esimerkissä sijoitettu niin, että yhdensuuntaisista sivupinnoista pitempi on väliaineeseen päin oleva pinta. Nauhamainen valonsäde 5 on ohjattu kulkemaan prisman toisen vinopinnan 30 11 läpi. Koska prisman materiaali on optisesti tiheämpää kuin väliaine, niin säde taipuu pintanormaalista poispäin. Valaistu tilavuusosa 9 säädetään : ; pinnan normaalin suunnassa asettamalla rajoittimet kondensorioptiikkaan 4, jotka rajoittavat säteen 5 paksuuden tarkasti haluttuun arvoon. Pinnan 6 tasossa tilavuusosan 9 rajoittaminen voidaan tehdä esimerkiksi objektiivin 7 35 näkökentän rajoittimella.

5 112540

Edellä on kuvattu perustekniikka, johon keksinnön mukainen menetelmä ja optinen partikkelianalysaattori perustuu. Edellä mainitut seikat on tuotu esille myös aiemmin mainitussa Fl-patenttijulkaisussa 77330.

Kuten aiemmin on jo tuotu esille, mikäli edellä esitettyä perusperiaa-5 tetta aiotaan käyttää mittauksissa, joissa partikkeleita mitataan erilaisissa väliaineissa, joiden taitekertoimet eroavat tosistaan, täytyy valaistuksessa käytettävän valonsäteen 5 kulmaa, ts. sitä kulmaa jossa valonsäde tulee ikkunana 2 toimivalle prismalle, muuttaa kulloisenkin väliaineen taitekertoimen mukaisesti. Valaistuskulman säädön ei tarvitse olla jatkuvaa, mutta kulma täytyy voida 10 asettaa sovellutuskohtaisesti väliaineesta riippuen. Edellä kuvatun perusperiaatteen ongelmana onkin ollut se, että aiemmin ei ole ollut olemassa edullista tapaa valonsäteen kulman muuttamiseen. Lisäksi on todettu, että kulma, jonka partikkeleiden katselusuunta ja valaistuksen suunta muodostavat, on suuri. Tämä seikka tulee selvästi esille kuviosta 1. Edellä mainitusta seikasta johtuen 15 edellä kuvattua perusperiaatetta hyväksikäyttävää analysaattoria on ollut vaikeata toteuttaa niin, että se olisi käytännöllisen kokoinen ja muotoinen.

Kuvioissa 3 ja 4 on esitetty periaatteellisesti keksinnön eräs sovellu-tusmuoto. Kuvioissa 3 ja 4 on vastaavissa kohdissa käytetty samoja viitenumerolta kuin kuvioissa 1 ja 2.

20 Kuvioiden 3 ja 4 esimerkissä valolähteeltä 3 tuleva valonsäde 5 oh jataan keksinnön perusajatuksen mukaisesti ikkunana 2 toimivan prisman lä-v ·' heisyydessä kulkemaan peilaavan pinnan 9 kautta sylinterimäiselle linssille 10.

Sylinterimäinen linssi 10 ohjaa valonsäteen prismalle ja muuntaa valolähteen '·,· siirtymän valonsäteen kulmamuutokseksi. Erityisen edulliseksi on havaittu, että ‘ ‘ *; 25 valolähdettä siirretään lineaarisesti ja valolähteen lineaarinen siirtymä muunne- ,·, : taan sylinterimäisen linssin 10 avulla valonsäteen kulmamuutokseksi. Valoläh- , · · ’ teen lineaarinen siirto on esitetty kuvioissa 3 ja 4 nuolen N avulla. Valolähde 3 voi olla edullisesti laserdiodi.

,, , Keksinnön perusajatuksena on siis se, että valaistus- ja katse- 30 lusuunta saadaan valolähteestä katsoen samaksi ja valaistussuunta muute-’ : taan peilaavan pinnan 9 avulla vasta lähellä prismaa. Tällä menettelyllä analy saattori saadaan edullisen kokoiseksi ja muotoiseksi. Valaistuskulmaan saadaan tarvittava väliaineen taitekertoimesta riippuva muutos, kun valonsäde ohjataan peilaavan pinnan jälkeen sylinterimäiselle linssille 10. Edellä mainittu 35 seikka näkyy erityisen selvästi kuviossa 3. Sylinterimäisen linssin 10 avulla saadaan siis valolähteen 3 paikkaa muuttamalla aikaan erilaisia valaistuskul- 6 112540 mia. Asiaa voidaan selventää kuvion 3 avulla siten, että kuviossa 3 viitenumerolla 5a esitetty valonsäde on pienen taitekertoimen omaavalle väliaineelle käytetty säde. Mikäli väliaineella on suuri taitekerroin, niin valolähdettä 3 siirretään nuolen N mukaisesti niin, että valonsäde kulkee kuviossa viitenumerolla 5 5b kuvatun säteen mukaisesti.

Edellä mainittua sylinterimäistä linssiä 10 käytetään keksinnössä myös kohdistamaan valonsäteet eri kulmista tiettyyn kohtaan pinnalla 6. Valonsäteet on edullista kohdistaa samaan kohtaan, koska tällöin objektiivilinssi-järjestelmän 7 paikkaa ei tarvitse muuttaa kulmamuutoksen yhteydessä. Erityi-10 sen edullista on kohdistaa symmetrisen prisman tapauksessa valonsäteet prisman keskelle.

Termiä sylinterimäinen linssi ei ole tässä tarkoitettu mitenkään rajoitetuksi määrittelyksi, vaan termiä on tässä tulkittava laajemmin. Ajatuksena on se, että edellä mainittu termi kattaa tässä myös erilaiset useasta linssistä muo-15 dostetut linssijärjestelmät yms. Keksintö voidaan toteuttaa myös niin, että peilaava pinta ja sylinterimäinen linssi ovat käänteisessä järjestyksessä verrattuna kuvioiden 3 ja 4 esimerkkiin, ts. kulmamuutos tehdään ennen peilipintaa. Kuvioiden 3 ja 4 mukainen rakenne mahdollistaa kuitenkin pienempien komponenttien käytön.

20 Ikkunana 2 toimiva prisma voidaan edullisesti muodostaa sellaisek si, että prisman ja väliaineen välisestä rajapinnasta heijastunut valo poistuu ’ prismasta vastakkaisella puolella olevan kiillotetun pinnan kautta. Prisman tii vistys voidaan toteuttaa edullisesti kartiomaista pintaa vasten.

: , · Edellä esitettyä keksinnön sovellutusmuotoa ei ole mitenkään tarkoi- * » 25 tettu rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaati-: musien puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukai- ' sen optisen analysaattorin tai sen yksityiskohtien ei välttämättä tarvitse olla juuri sellaisia kuin kuvioissa on esitetty vaan toisenlaisetkin ratkaisut ovat mahdollisia.

: '* 30 * *

Claims (8)

112540 7

1. Menetelmä väliaineessa olevien partikkeleiden valaisemiseksi optista analysointia varten, jossa väliaine on kosketuksissa ikkunan (2) kanssa ja väliaineeseen kohdistetaan valolähteeltä (3) tuleva, ikkunan läpi kulkeva, par- 5 tikkeleita valaiseva valonsäde (5) kuvan (8) muodostamiseksi partikkeleista, jolloin ikkunana (2) käytetään trapetsinmuotoista prismaa, jonka yhdensuuntaisista sivupinnoista pitempi muodostaa väliaineeseen päin olevan pinnan, jolloin valonsäde (5) muokataan säteeksi, jonka paksuus ikkunan normaalin suunnassa on ennalta määrätty, jolloin valonsäde (5) ohjataan kulkemaan ik-10 kunan muodostavan prisman toisen vinopinnan läpi ja edelleen partikkeleita sisältävässä väliaineessa lähellä ikkunan väliaineeseen rajoittuvaa pintaa ja olennaisesti yhdensuuntaisena pinnan kanssa ja näin valaisemaan väliaineen tarkasti ennalta määrätyssä tilavuusosassa olevat partikkelit ja jolloin kuva (8) muodostetaan partikkeleista takaisin ikkunan (2) läpi heijastuvasta valosta, 15 tunnettu siitä, että valolähteeltä (3) tuleva valonsäde (5) ohjataan ikkunana (2) toimivan prisman läheisyydessä kulkemaan peilaavan pinnan (9) ja sylinte-rimäisen linssin (10) kautta, jotka ohjaavat valonsäteen (5) prismalle ja muuntavat valolähteen (3) siirtymän (N) valonsäteen kulmamuutokseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että valolähteen (3) lineaarinen siirtymä muunnetaan sylinterimäisen linssin (10) avulla valonsäteen kulmamuutokseksi.

, : 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valonsäteet (5) kohdistetaan eri kulmista prisman samaan kohtaan ‘·.I sylinterimäisen linssin (10) avulla. : : 25

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valionsäde (5) ohjataan peilaavan pinnan (9) kautta sy-linterimäiselle linssille (10).

5. Optinen partikkelianalysaattori, joka käsittää analysoitavia partikkeleita sisältävään väliaineeseen rajautuvasti sovitettavan, trapetsinmuotoisen : 30 prisman käsittävän ikkunan (2), jonka yhdensuuntaisista sivupinnoista pitempi on sovitettu muodostamaan väliaineeseen päin olevan pinnan, valolähteen (3), joka on sovitettu valaisemaan partikkeleita ikkunan läpi ja linssijärjestelmän (7), joka on sovitettu muodostamaan optisen kuvan (8) valaistuista partikkeleista, jolloin laite käsittää optisen välineen (4), joka on sovitettu muuntamaan va-’ 35 lolähteestä lähtevän valonsäteen tarkasti ennalta määrätyn paksuiseksi nau hamaiseksi säteeksi, joka valonsäde (5) on sovitettu ohjattavaksi kulkemaan 8 112540 ikkunan muodostavan prisman toisen vinopinnan läpi ja ohjattu edelleen kulkemaan partikkeleita sisältävässä väliaineessa lähellä ikkunan (2) väliaineeseen rajoittuvaa pintaa ja olennaisesti yhdensuuntaisena pinnan kanssa, jolloin linssijärjestelmä (7) on sovitettu keräämään nauhamaisen valonsäteen valai-5 semassa tarkasti ennalta määritellyssä väliainevirtauksen tilavuusosassa olevista partikkeleista takaisin ikkunan (2) läpi heijastuvan valon optisen kuvan (8) muodostamista varten, tunnettu siitä, että partikkelianalysaattori käsittää ikkunana (2) toimivan prisman läheisyyteen sijoitetun peilaavan pinnan (9) ja sylinterimäisen linssin (10), jotka on sovitettu ohjaamaan valolähteeltä (3) tule-10 van valonsäteen prismalle ja muuntamaan valolähteen (3) siirtymän (N) valonsäteen kulmamuutokseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen partikkelianalysaattori, tunnettu siitä, että valolähteen (3) lineaarinen siirtymä (N) on sovitettu muunnettavaksi sylinterimäisen linssin (10) avulla valonsäteen kulmamuutokseksi.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen partikkelianalysaattori, tunnettu siitä, että valonsäteet (5) on sovitettu kohdistettavaksi eri kulmista prisman keskelle sylinterimäisen linssin (10) avulla.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 5-7 mukainen partikkelianalysaattori, tunnettu siitä, että peilaava pinta (9) on sovitettu ohjaa-20 maan valonsäteen sylinterimäiselle linssille (10). * t · * » · * I 9 112540