DE2445148C3 - Einrichtung zum Untersuchen von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen, mit einer sich in Durchflußrichtung verjüngenden Durchflußkammer zum Ausrichten der Teilchen und mit einer quer zur Durchflußrichtung orientierten optischen Abtasteinrichtung.

Eine derartige Einrichtung ist aus der US-PS 05 348 bekannt. Sie findet zur Bestimmung der Größe von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen, insbesondere der Länge von Papierfaserteilchen, Verwendung. Hierfür werden die suspendierten Teilchen durch eine konisch zulaufende Durchflußkammer bewegt, deren Querschnitte im wesentlichen kreisförmig sind. Am Ende des konisch zulaufenden Eingangsteils der Durchflußkammer befinden sich zwei gegenüberliegende Elektroden, die an eine elektrische Stromquelle und an einen elektrischen Auswertkreis angeschlossen sind. Anstatt dieser elektrischen Abtäsl· einrichtung kann an gleicher Stelle auch eine optische Vorgesehen sein. Diese bekannte Einrichtung ist nicht geeignet, scheibenförmige Teilchen bei Anwendung einer optischen Abtasteinrichtung so auszurichten, daß alle Teilchen dieselbe Fläche bei ihrem Durchgang der optischen Abtasteinrichtung zukehren.

Es ist auch bereits eine Einrichtung zum Untersuchen von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen bekannt, bei der eine Durchflußkammer mit einer quer zur Durchflußrichtung angeordneten optischen Abtasteinrichtung verwendet wird. Die zu untersuchenden Teilchen werden durch ein zentrisches Zufuhrröhrchen der Durchflußkammer zugeleitet. DerTeiichenstrom ist von einer Hüliströmung umgeben (vgl. US-PS 36 62176). Auch diese Einrichtung ist nicht zur

ίο Untersuchung von scheibchenförmigen Teilchen geeignet Es ist keine Gewähr dafür gegeben, daß scheibenförmige Teilchen stets in derselben Orientierungslage zur optischen Abtasteinrichtung durch die Durchflußkammer hindurchbewegt werden.

Aus der US-PS 37 20 470 ist weiter eine Einrichtung zur Untersuchung von in einer Flüssigkeit suspendierten Blutkörperchen unter Verwendung einer optischen Beobachtungseinrichtung bekannt Als optischs Beobachtungseinrichtung findet ein Mikroskop Verwendung.

Der Suspensionsstrom durchströmt eine Durchflußkammer, zu der quer die Beobachtungsrichtung des Mikroskops verläuft Die Durchflußkammer weist sich verjüngende Kammerteile auf. Im Beobachtungsbereich besitzt der Kammerteil jedoch parallele Wandungsteile.

Bei einer solchen Einrichtung sind die einzelnen Teilchen in bezu<j auf die Beobachtungseinrichtung nicht so ausgerichtet daß sie stets eine gleich orientierte Lage beim Durchtritt durch die Beobachtungseinrichtung einnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß scheibchenförmige Teilchen unter Verwendung einer optischen Abtasteinrichtung untersucht werden können, insbesondere bezüglich der Feststellung ihrer größten Flächenabmessungen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß unter Verwendung von einer optischen Abtasteinrichtung

■to scheibchenförmige Teilchen, wie z. B. Blutkörperchen, auch hinsichtlich ihrer Größenverteilung untersucht werden können. Hierbei werden diese Teilchen für den Durchgang durch die optische Abtasteinrichtung alle gleich orientie" zur Abtasteinrichtung ausgerichtet.

Nur dadurch ist es möglich, bei allen scheibchenförmigen Teilchen exakt die gleichen zu untersuchenden Abmessungen festzustellen.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch die Mitte einer Einrichtung;

F i g. 2 eine Draufsicht der Einrichtung nach Fig. I;

Fig. 3 und 4 vektorielle Darstellungen der Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen Punkten der Einrichtung nach Fig. 1;
F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 1;

F i g. 6 eine vektorielle Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit längs der Längsachse der Einrichtung nach F i g, 1;

F ig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Einrichtung nach F i g. L

Bei der Einrichtung 10 nach Fig, 1 werden durch ein Probenrohr 14 Von einer geeigneten Quelle in einer Suspension befindliche Teilchenprobeni i. B. schuppen* förmige Teilchen 12, in eine Durchflußkammer 16

eingeführt.

Die Durchflußkammer 16 wird durch die Wände 17 in F i g. 2 und die Wände IS in F i g. 1 begrenze Die Wände 17 sind zueinander parallel und gerade, während die Wände 18 vorzugsweise sich exponentiell verengenden Kurven folgen. Die Wände 18 laufen zu einem Flüssigkeitsausgang 20 zusammen.

Die Teilchen 12 werden durch eine Lichtquelle 22 abgetastet, die die Durchflußkammer 16 in im wesentlichen querverlaufender Richtung zu der Strömung der Teilchenproben 12 beleuchtet. Gegenüber der Lichtquelle 22 ist eine auf Licht ansprechende Vorrichtung, z. B. eine Photozelle 24, angeordnet, die das die Durchflußkammer 16 durchquerende Licht mißt. Die Photozelle 24, wie z. B. eine Photovervielfacherröh- '5 re, spricht auf die durchgelassene Lichtmenge an. Diese Messung kann dazu dienen, die den Lichtstrahl passierende Anzahl von Teilchen zu zählen, sowie andere physikalische Eigenschaften der Teilchen, wie undurchsichtigkeit und Farbe, zu bestimmen. Die Photozelle kann auch dazu dienen, die Queischnittsfläche der Proben-Teilchen zu messen. Durch Variieren der Lichtquelle oder Färben der Teilchenproben kann die Elektrolumineszenz gemessen v/erden, was ebenfalls zur Identifizierung der vorhandenen Teilchenart dienlieh sein kann.

Nach F i g. 1 ist an die Durchflußkammer 16 eine Rohrleitung 26 angeschlossen, um einen Flüssigkeitsstrom in die Durchflußkammer 16 zu leiten. Ein durch Pfeile 28 angedeuteter laminarer Hüllstrom wird durch die Hüllstromvorrichiung 30 gebildet, die in der Rohrleitung 26 angeordnet i,t. Die Hüllstromvorrichtung 30 kann mehrere Rohre 32 umfassen, die sich wie angedeutet in der Richtung des Flüssigkeitsstroms durch die Rohrleitung 26 erstrecken und das Probenrohr 14 umgeben. Die Rohre 32 verhindern eine Wirbelströmung, so daß die in die DurchfluBkammer 16 gelangende Flüssigkeit gerichtet ist und ruhig fließt. Wenn de/ Hüllstrom in die Durchflußkammer 16 gelangt, nimmt dieser die Form eines laminaren HüHflüssigkeitsstroms an. Die Laminarströmung wird näher in bezug auf F i g. 3 besprochen.

In Fig. 1 und 2 sind Teilchen 12 dargestellt, die vom Rohr 14 in die Durchflußkammer 16 geleitet werden. Wenn sie dabei in die Beobachtungsebene der Lichtquelle 22 und der Photozelle 24 gelangen, sind die Teilchen in einer Lage dargestellt, in der sie quer zu dem Lichtstrahl 33 der Lichtquelle 22 liegen. Wie in F i g. 2 zu sehen ist, die aus der Sicnt der Lichtquelle 22 dargestellt ist, ist jedes Teilchen so ausgerichtet, daß seine Flachseitc' dem Lichtstrahl zugewandt ist, d. h. die maximale Querschnittsfläche jedes Teilchens liegt quer zu dem Lichtstrahl.

F i g. 3 ist eine vektorielle Darstellung einer Flüssigkeit, die einen wie oben beschriebenen laminaren Hüllstrom bildet. Einen solchen laminaren Strom bildet der Flüssigkeitsstrom 28 beim Eintritt in die Durchflußkammer 16. Die horizontalen Pfeile stellen die Vektorgeschwindigkeiten an verschiedenen über die Rohrleitung 26 Verteilten Punkten dar, wobei in eines Rohrleitung mit parallelen Wänden ein Hüllstrom vorhanden ist, und wobei die Pfeile parallel sind und ein typischer davon mit 34 bezeichnet ist. Diese Vektoren bestimmen wie dargestellt eine Parabel, wobei der Abstand der Vektoren von der Wand in typischer Weise wie mit 35 angezeigt ^t, was auch der Abstand des Vektors 34 Vöri def Wäild ist. Wenn der Läminäfstfom in die Flüssigkeitskammer 16 eintritt, wird sich die in Fig.4 dargestellte Vektorströmung ergeben. Die Geschwindigkeit der den Wänden 18 der Durchflußkammer 16 am nächsten gelegenen Flüssigkeit wird durch die sich gleichmäßig verändernde Breite der Wände 18 verändert. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Durchflußkammer 16 hat nun eine Geschwindigkeitskomponente Y, die durch die Wände 18 bestimmt wird, wobei diese Geschwindigkeitskomponente mit zunehmendem Abstand von den Wänden 18 abnimmt, bis die Flüssigkeit in der Mitte der Strömung fast keine Geschwindigkeitskomponente Y mehr aufweist Nach dem Prinzip von Bernoulli hat die Flüssigkeit in Fig.4 in der Mitte die größte Geschwindigkeit, und der Druck ist in der Mitte der Flüssigkeit am geringsten. Auf die Teilchen außerhalb der Mitte des Flüssigkeitsstroms wirkt eine Flüssigkeitsdruckkomponente Yein, so daß sie gegen die Mitte des Flüssigkritsstroms gerichtet werden.

Wenn der Mitte eines Laminar jms ähnlich dem in F i g. 3 isokinetisch eine rrobenfiusi gkeil zugeführt wird, bleibt die Mittelströmung in der Mitte, ohne irgendwelche Ebenen der Laminarströmung zj durchqueren. Dabei kann eine annähernde Laminarströmung ohne Verwendung der Rohre 32 gebildet werden, wenn eine langsam strömende Flüssigkeit in eine im wesentlichen unbegrenzt lange Rohrleitung geleitet wird, bevor sie in die Durchflußkammer 16 der Vorrichtung 10 eintritt Die konvergierende Anordnung der Wände 18 der Durchflußkammer 16 bewirkt eine ständige Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit in Richtung des Ausgangs 20. Die im wesentlichen unbegrenzte Breite des Querschnitts der Durchflußkammer in der Nähe des Erfassungsbereichs im Vergleich zur Höhe bewirkt, daß die Strömung nicht nur laminar, sondern auch planlaminar ist. Die im wesentlichen unbegrenzte Breite wird durch einen Schlitz 36 ermöglicht, der an einer mittleren Längsac/.se von geringem Druck liegt und die Wirkung einer Längswand auf die Flüssigkeitsströmung weiter verringert

In Fig. 2 und 5 ist ein Schlitz 36 zu sehen, der sich entlang der gesamten Breite der Durchflußkammer 16 erstreckt Der Schlitz 36 erstreckt sich in einer Richtung etwa senkrecht zu der Ebene des von der Lichtquelle 22 ausgesandten Lichtstroms. Dieser Schlitz bewirkt eine vergrößerte axiale Ebene mit erhöhter Geschwindigkeit, die nach dem Bernoulli-Prinzip eine Ebene mit geringstem Druck darstellt, wodurch eine optimale Ausrichtung der Teilchen erzielt wird, so daß jedes Teilchen eine Lage einnimmt, in der seine flache Seite quer zum Strahl 33 der Lichtquelle 22 in F i g. 1 liegt Der axiale Bereich mit geringstem Druck, der durch den SchHt?. 36 in den Wänden 17 der Durchflußkammer 16 gebildet wird, bewirkt in der Tat einen Nulldruckgradienten in einer flichtung senkrecht von der axialen Mitte der Flüssigkeit gegen die Wände 17 hin. Die vom Schlitz 36 gebildeten Wände sind am weitesten von der Mittelachse des Flüssigkeitsstroms entfernt und haben einen nur unwesentlichen Einfluß auf die Flüssigkeitsströmung.

F ί gi & ist eine vektorielle Darstellung der Geschwindigkeiten in der Durchflußkammer 16 in F i g. 5 entlang deren mittlerer Längsachse und parallel zum Schlitz 36. Wie zu ersehen ist, ist die Geschwindigkeit entlang diesem Bereich läng;! des Schlitzes 36 etwa konstant, so daß dieser Bereich, wie bereits beschrieben, die geringsten Druckabweichungen aufweist.

Wenn sich eiit Teilchen in der Durchflußkammer 16 befindet, bewegt sich die mit der Vorderkante des

Teilchens in Kontakt befindliche Flüssigkeit schneller als die die hintere Kante des Teilchens berührende Flüssigkeit. Dadurch wird eine Kraft auf das Teilchen ausgeübt, das dazu neigt, sich nach der Strömungsrichtung auszurichten. Außerdem wird jedes Teilchen, das in Strömungsrichtung gedreht Wird, durch die Strömungsgeschwindigkeitskomponente senkrecht Zur Slrömungsrichtung in der Mitte der Durchflußkammer gedreht, da durch den abnehmenden Abstand der Kammerwände i8 die nach innen gerichtete Strömungsgeschwindigkeitskomponente, die stromaufwärts höher als stromabwärts ist, senkrecht zur Strömungsrichtung abseits der Achse gebildet wird. Diese senkrechten Geschwindigkeitskomponenten sind in der Mitte der Durchflußkammer gleich Null. Dann richten sich die Teilchen entlang dieser Längsmittelachse' infolge des dort herrschenden geringsten Drucks wie

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Querschnittsfläche der flachen Teilchen gebildete Ebene in einer Ebene parallel zu der Längsmittelebene, in der der geringste Druck wirksam ist, und rechtwinklig zu dem Strahl 33 der Lichtquelle 22 liegt.

Die Schnittansicht in Fig.5 zeigt den Eingang zur Durchflußkammer 16. Der Eingang zur Durchflußkammer ist gestreckt länglich ausgebildet, ähnlich dem Eingang für die abzutastenden schuppenförmigen Probenteilchen. Das dargestellte Probenrohr 14 ist in der Mitte der Durchflußkammer angeordnet, hat deren gestreckte längliche Form und ist darin axial zentriert.

Proben sehuppenförmiger Teilchen, die vom Rohr 14 in die Durchflußkammer 16 geleitet werden, kommen, wie oben beschrieben, in die Mitte der Durchflußkanu mer 16, wobei die von der Mitte am entferntesten gelegenen Wände einen längsaxiälen Bereich von geringstem Drück bilden. Wie" bereits erwähnt, steigt

der Flüssigkeitsdruck mit zunehmendem Abstand von der Strömungsmittelachse an, wodurch die Teilchen, ob sie bereits in die Symmetrieachse gedreht sind oder nicht, durch den Druckanstieg an Punkten der Teilchen, die am weitesteh von der Symmetrieachse entfernt sind,

ιό zu dieser gedreht werden. Dann werden die Teilchen abgetastet, indem, wie in Fig.7 gezeigt, quer zur Strömungsrichtung ein durch eine zylindrische Linse fokussierter Lichtstrahl 33 ausgesandt wird. Der Lichtstrahl 33 trifft auf die Teilchen 12 an einem Punkt,

is an dem sich die Wände 18 noch zur Öffnung 20 hin verjüngen. Wenn die »spiegeleiartigen« schuppenförmigen Teilchen den Lichtstrahl erreichen, sind sie in der

Mine eier strömung in uangsnemung eruiarig uer Längsachse, längs der der geringste Druck herrscht, etwa rechtwinklig zum Strahl 33 ausgerichtet. Infolgedessen bietet sich dem Strahl 33 jeweils die maximale Querschnittsfläche des Teilchens dar. Dadurch werden die angestrebten brauchbaren Resultate bei der Schlitzverschluß-Lichtmessung erzielt, die bisher nicht erreicht werden konnten.

Nach ihrem Austritt durch den Ausgang 20 kann der Strom c-ar weiteren Einzeluntersuchung der Teilchen auf einer Platte niedergeschlagen werden oder durch eine entsprechende Leitung zu einer Abwasser- oder Rückführvorrichtung geleitet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Untersuchen von in einer Flüssigkeit suspendierten Teilchen, mit einer sich in Durchflußrichtung verjüngenden Durchflußkammer zum Ausrichten der Teilchen und mit einer quer zur Durchflußrichtung orientierten optischen Abtasteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Untersuchen von scheibenförmigen Teilchen (12) das Verhältnis der Abmessung der Durchflußkammer (16) in der Orientierungsrichtung (Y) der Abtasteinrichtung zu der Abmessung senkrecht dazu (Z)'m Durchflußrichtung ^stetig abnimmt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einen einander gegenüberliegenden Wände (18) der Durchflußkammer (16) in Strömungsrichtung einander stetig annähern.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, laß sich die Wände (18) exponentiell in .Strömungsrichtung einander nähern.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen gegenüberliegenden Wände (17) der Durchflußkammer (16) parallel zueinander angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (17, 18) mit den mittigen, schlitzartigen Ausgang (20) der Durchflußkammer (16) bilden.

b. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtasteinrichtung (22,24) in der Nähe des Kan.merautganges (20) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Probenrohr (14) axial und zentrisch in die Durchflußkammer (16) ragend angeordnet ist und daß der Durchflußkammer mehrere, zum Probenrohr koaxiale Rohre (32) zum laminaren Zuleiten eines Hüllstromes vorgeschaltet sind.