-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Daten über die Größenverteilung von Teilchen in einem Teilchenfeld werden üblicherweise dadurch erhalten, daß mechanisch eine Probe entnommen wird, die Probe durch Siebe immer kleiner werdender Öffnung gegeben wird und das Material, das auf jedem Sieb zurückbleibt, gewogen wird. Ein derartiges Verfahren kann auf bewegtes Material angewendet werden, das sich z. B. auf einem Förderband befindet, oder auf ruhendes Material in einem Lager. Das mechanische Entnahme- und Siebverfahren ist kostspielig und ergibt im allgemeinen auch keine sofortigen Resultate.
-
Es ist bekannt, eine stationäre Oberfläche durch hindurchgesandtes Licht abzubilden, z. B. durch ein Mikroskopierglas oder eine polierte Mineraloberfläche, und das Bild mittels einer Rasterabtastung abzutasten und das resultierende Signal weiter zu verarbeiten. Ein derartiges System ist jedoch komplex und ungeeignet für die Erfassung und Messung von makroskopischen, sich bewegenden Teilchen.
-
Aus der Literaturstelle "Industrial Laboratory" 33/1967, Seiten 846-854, ist eine Zusammenstellung verschiedener Verfahren und Anordnungen zur automatischen Zählung und Sortierung von mikroskopischen Teilchen zu entnehmen. Danach ist es bekannt, Teilchen unterschiedlicher Größe mittels opto- elektronischer Einrichtungen abzutasten, zu zählen und in ihrer Größe zu bestimmen. Die optische Abtastung kann dabei sowohl mit einer sogenannten Fleck-Abtastung als auch mit einer sogenannten Schlitz-Abtastung erfolgen. Als opto-elektronische Einrichtungen können sowohl Fotoumwandler als auch Kathodenstrahlröhren oder dergleichen verwendet werden. An die opto-elektronische Erfassungseinrichtung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen, die Anzahl und Größe der Teilchen mittels elektronischer Elemente ermittelt, speichert und zur Anzeige bringt.
-
Bei der Fleck- oder Stellen-Abtastung bewegt der Abtastfleck entlang einer Linie und erfaßt die Änderung der Lichtintensität des von den Teilchen gegenüber der Umgebung reflektierten Lichts. Das Abtastelement kann dabei von beliebiger Größe sein, das heißt, auch größer oder kleiner als die zu erfassenden Teilchen. Bei diesem Verfahren treten jedoch nicht unerhebliche Schwierigkeiten beim Auswerten der Größe und Anzahl der Teilchen auf.
-
Das Schlitz-Abtastverfahren verwendet zur Zählung der Teilchen eine senkrecht zur Abtasteinrichtung angeordnete Schlitzöffnung, mit deren Hilfe es ermöglicht wird, die Anzahl der Teilchen pro Flächeneinheit und ihre Größenverteilung zu ermitteln.
-
Aus dem Gebiet der Korngrößenanalyse ist außerdem bekannt, Teilchenfelder seitlich zu beleuchten.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung der Größe und Anzahl von Teilchen in einem Teilchenfeld anzugeben, das eine einfache und genaue Abtastung von sich auch teilweise überlappenden oder übereinander gelagerten Teilchen ermöglicht und dabei sowohl einen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau als auch eine beliebige Form der Darstellung der nach ihrer Größe und Zahl bestimmten Teilchen gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Achse der optischen Detektoreinrichtung senkrecht zum Teilchenfeld steht und die Lichtquelle aus zwei gerichteten Leuchten besteht, die die Region des Teilchenfeldes unter der Detektoreinrichtung unter jeweils annähernd gleichem Winkel beleuchten, und von denen eine in Bewegungsrichtung vor und die andere in Bewegungsrichtung nach der Detektoreinrichtung angeordnet ist.
-
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mittels der Erzeugung von Schatten und deren Erfassung und Auswertung eine einfache und äußerst genaue Methode zur Bestimmung von Größe und Anzahl der Teilchen in einem Teilchenfeld gegeben.
-
Diese Vorrichtung zeichnet sich durch ihren einfachen und damit kostengünstigen Aufbau und ihre große Genauigkeit bei der Abtastung und Auswertung der verschiedenen Teilchen aus. Durch die digitale Signalverarbeitung werden Bauteile-Toleranzen und sonstige, die Meßergebnisse beeinflussende Störgrößen eliminiert. Zusätzlich besteht in einfacher Weise die Möglichkeit, die ermittelten Daten in digitaler oder analoger Weise zur Anzeige zu bringen, zu speichern oder durch Bewertung die erfaßten Daten in Gruppen zu sortieren.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Anhand eines in der Zeichnung dagestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt
-
Fig. 1 eine Ansicht der opto-elektronischen Erfassungseinrichtung,
-
Fig. 2 ein Blockschaltbild, und
-
Fig. 3 eine zeitliche Darstellung der Signale bei der Anwendung.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Ansicht der opto-elektronischen Einrichtung zeigt von rechts nach links ein laufendes Band 10, das Mineralteilchen 11 unterhalb eines vertikalen, röhrenförmigen Aufbaus einschließlich eines einstellbaren Linsensystems 12 und eines Gehäuses 13 befördert. Eine Lichtquelle besteht aus zwei Paaren von räumlich getrennten Quarz-Jodlampen 14, 15, 16 und 17, die auf geneigten Armen 18 und 19 montiert sind. Die Arme 18, 19 sind an ihren oberen Enden drehbar gelagert auf einem Kragen 26, der gleitbar auf dem Gehäuse 13 angeordnet ist.
-
Ein Paar Stützarme 21, 22 ist drehbar gelagert auf einem weiteren gleitbaren Kragen 23 auf dem Gehäuse 13 und auf dazwischen liegenden Punkten der Arme 18, 19. Der Winkel der Lampen 14, 15, 16 und 17 und ihre Höhe über dem laufenden Band 10 können daher beliebig eingestellt werden, während der Schnittpunkt der zwei Strahlen direkt unterhalb des röhrenförmigen Aufbaus 12, 13 bleibt.
-
Die beiden Paare der räumlich getrennten Lampen 14, 15, 16 und 17 sorgen dafür, daß sich der beleuchtete Raum unterhalb des Aufbaus beträchtlich über der Oberfläche des laufenden Bandes 10 ausdehnt, so daß die Lichtstrahlen der Lampen 14 bis 17 die Teilchen 11 sogar beleuchtet, wenn diese sich erheblich oberhalb der Oberfläche befinden. Die unteren Begrenzungen der Strahlen jedoch schneiden sich gerade oberhalb der Oberfläche des laufenden Bandes 10, so daß das unbeladene laufende Band 10 ein schwarzes Feld ergibt.
-
Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt die beiden Lampenpaare 14, 15 und 16, 17, die oberhalb des laufenden Bandes 10 mit den darauf transportierten Teilchen 11, sowie eine Linse 12, die ein Bild des Teilchenfeldes auf die zwei Fotoumwandler oder Fotosensoren 24, 25 fokussiert. Diese Fotoumwandler 24, 25 sind räumlich getrennt in der Bewegungsrichtung des laufenden Bandes 10 angeordnet. In dem von der Linse 12 erzeugten Bild sind die Kanten benachbarter Teilchen und die Grenzen zwischen übereinander gelagerten oder sich überlappenden Teilchen durch "Übergänge" des hindurchgeschickten Lichtes dargestellt, d. h. durch Lichtvariationen, die von dem Schatten herrühren, der von den unter einem Winkel auftreffenden Lichtstrahlen erzeugt wird. Die zwei Fotoumwandler 24 und 25 erzeugen zwei im wesentlichen identische elektrische Signale, die den Variationen des Lichts des Teilchenfeldes entsprechen, wobei das Signal des linken Fotoumwandlers 24 gegenüber dem des anderen Fotoumwandlers 25 zeitlich verzögert ist, und zwar um eine Zeit, die umgekehrt proportional zu der Beförderungsgeschwindigkeit des laufenden Bandes 10 ist.
-
Die zwei elektrischen Signale der Fotoumwandler 24, 25 werden getrennt in den Vorverstärkern 26 verstärkt und über die Leitungen 28 , die mit einem Diskriminator 29 verbunden sind, einer Signalverarbeitungseinrichtung 27 zugeführt.
-
Im Zusammenhang mit der zeitlichen Darstellung der Signale und Impulse in Fig. 3 wird die erfindungsgemäße Anordnung nachfolgend in ihrer Funktion beschrieben:
-
Der in der Signalverarbeitungseinrichtung 27 enthaltene Diskriminator 29 vergleicht die eintreffenden Signale a und b (Fig. 3) mit einem Schwellwert-Signalniveau (B) und erzeugt so zwei entsprechende binäre Signale c und d entsprechend einem Teilchen oder einer Leerstelle auf dem laufenden Band 10, bei denen negativ gerichtete Impulse dunklen Gebieten, d. h. Leerstellen des Bildes entsprechen, das von den Fotoumwandlern 24, 25 gekreuzt wird. Das Schwellwert-Signalniveau (B) wird entsprechend den Erfordernissen des Systems festgelegt. Es kann z. B. einen Bruchteil (üblicherweise 40%) einer RC-gefilterten Version des eintreffenden Signals a oder b sein. Die Filterzeitkonstante kann mit der mittleren Teilchengröße in Bezug gesetzt werden, beispielsweise kann die Zeitkonstante größenordnungsmäßig zweimal größer sein als die Zeit, welche ein Teilchen mittlerer Teilchengröße benötigt, um einen fixierten Punkt zu passieren.
-
Der Diskriminator 29 kann auch die Lichtintensität derart steuern, daß die mittlere Amplitude der eintreffenden Signale konstant bleibt. Zu diesem Zweck kann der Diskriminator 29 bekannte Vorrichtungen enthalten, um die Amplitude des eintreffenden Signals mit einem festgesetzten Niveau zu vergleichen, und das daraus resultierende Differenzsignal zu integrieren, um ein Steuersignal zu entwickeln, das auf eine Lampenspannungsversorgung 30 wirkt, um ihre Ausgangsspannung entsprechend zu steuern. Auf diese Weise wird verhindert, daß eine nichtlineare Fotoumwandler-Charakteristik die Signalgestalt ändert, wenn sich die Reflexion des Teilchenmaterials ändert.
-
Die Signalverarbeitungseinrichtung 27 enthält weiterhin einen Taktimpulsgenerator 32, dessen Frequenz in geeigneter Weise so gesteuert wird, daß sie umgekehrt proportional zu dem Verzögerungsintervall zwischen den Signalen c und d, die der Zeitspanne p in Fig. 3 entspricht. In der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch bewirkt, daß die Signale c und d von dem Diskriminator 29 zu einem Signalzeitvergleicher 31 geleitet werden, der die Frequenz des Taktimpulsgenerators 32 steuert.
-
In einer Ausführungsform enthält der Signalzeitvergleicher 31 ein bekanntes, nicht näher dargestelltes Schieberegister, das von dem Taktimpulsgenerator 32 getaktet wird, und das dazu dient, das Führungssignal c zu verzögern. Der Signalzeitvergleicher 31 enthält einen nicht näher dargestellten Abstand-Detektorkreis, welcher das verzögerte Signal c und das nachlaufende Signal d vergleicht, um ein Steuersignal zu erzeugen, das auf die zeitliche Differenz des Auftretens dieser beiden Signale anspricht. Dieses Steuersignal wird dem Taktimpulsgenerator 32 zugeführt, und dessen Taktfrequenz damit so eingestellt, daß die beiden Signale c und d koinzident bleiben.
-
Die Taktimpulsfrequenz ist in Fig. 3e dargestellt. Wie in der beschriebenen Frequenzsteuerung stellt das Intervall zwischen den Impulsen eine konstante Distanz auf dem laufenden Band 10 unabhängig von der Geschwindigkeit des laufenden Bandes 10 dar.
-
Die Frequenz der Taktimpulse wird so gewählt, daß sie der Größenverteilung der Teilchen 11 und der Geschwindigkeit des Bandes 10 angepaßt ist. Typischerweise kann die Frequenz 2,4 kHz sein, und zwar bei einer Geschwindigkeit des laufenden Bandes 10 von 1,5 m/Sek. In diesem Fall entspricht der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Taktimpulsen einer Bewegung von 0,625 mm des laufenden Bandes 10.
-
Die Daten über die Teilchenlänge, die in dem Signal c oder b enthalten sind, können auf verschiedene Art und Weise verarbeitet werden, um die erwünschten Größenparameter zu bestimmen. In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise eines der Signale, z. B. das Signal d, dazu benutzt, die Taktimpulse vom Taktimpulsgenerator 32 in einen Digitalzähler 33 einzuzählen, wenn das Signal d im Zustand "Hoch" ist. Der Digitalzähler 33 wird dann durch die "Hoch/Niedrig" -Übergänge des Signals d zurückgestellt, d. h. durch die Signalflanken wird die Zählung beendet. Der Digitalzähler 33 erzeugt daher Taktimpulszähl-Ausgabedaten, welche die Distanz darstellen, die das laufende Band 10 zwischen aufeinanderfolgenden dunklen "Übergängen" zurücklegt, abgetastet durch den Fotoumwandler 24.
-
Der Digitalzähler 33 ist mit Mehrfach-Ausgabeleitungen versehen, die mit entsprechenden Kanälen eines 7kanaligen Digitalkomparators 34 verbunden sind. Jeder Komparatorausgang liefert einen Impuls, wenn eine eingeblendete Längenzählung des Digitalzählers 33 einer im Voraus bestimmten Impulsvorwahl des entsprechenden Vergleichskanals entspricht. Diese Komparatorausgangsimpulse werden in sieben entsprechenden B- C-D-Akkumulatoren gezählt. Ein Akkumulator 37 ist dabei mit dem Komparatorkanal verbunden, der auf die niedrigste Zählung voreingestellt ist, und daher die Gesamtzahl der zu analysierenden Längenzählungen angibt. Die anderen sechs Akkumulatoren 35 sind mit Digital-Komparatorausgängen verbunden, die stufenweise auf höhere Impulsvorwahl eingestellt sind. Die in einem bestimmten Akkumulator 35 akkumulierte Zahl ist daher die Zahl der Längenzählungen des Digitalzählers 33, die größer oder gleich sind der Impulsvorwahl für diesen Kanal.
-
Die akkumulierten Längenzähldaten können auf verschiedene Weise ausgelesen werden. Wenn beispielsweise die gesamte Zählung der registrierten Längenzählungen im Zähler 37 eine bestimmte Zahl erreicht hat (104 in der vorliegenden Ausführungsform), können die oberen zwei BCD-Ziffern jedes Akkumulators 35 auf ein entsprechendes Anzeigeregister 38 übertragen werden und alle Akkumulatoren auf Null zurückgestellt werden, um einen neuen Zählzyklus zu beginnen. Während dieser neue Zählzyklus abläuft, fällt das Anzeigeregister 38 den Teil der gesamten Längenzählungen, der größer oder gleich ist der Längenzählvoreinstellung jedes Kanals, ausgedrückt beispielsweise als pro 100 oder 1000 der Gesamtzahl der Längenzählungen in Abhängigkeit von der Zahl der BCD-Ziffern, die in einem besonderen Akkumulator 35 vorgesehen sind.
-
Die Anzeigeregister 38 können auch mit einem Digital-Analog- Umwandler 39 verbunden werden, um Analogausgangsspannungen für jeden Kanal bereitzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausgangsspannungen einem mehrkanaligen Aufzeichner 40 (Plotter) zugeführt.
-
Das mehrkanalige analoge Aufzeichnungsgerät 40 ergibt daher eine kontinuierliche "on-line"-Messung einer Zahl von Punkten auf der kumulativen Frequenzverteilung der Längenintervalle zwischen dunklen Lücken zwischen den Teilchen 11 und den Überlappungsgrenzen entlang einer Abtastlinie in Richtung der Bewegung des Teilchenfeldes.
-
Die Größenverteilung der gemessenen Teilchen 11 kann als Eingabe an verschiedene manuelle oder automatische Steuersysteme verwendet werden. Wenn es erwünscht ist, die Größenverteilungsdaten der oben beschriebenen Form in ein äquivalente Größenverteilung einer anderen Form umzuwandeln, z. B. die Gewichtsverteilung der Sieböffnungsgrößen der Teilchen, kann der Umwandlungsfaktor zwischen den beiden experimentell ermittelt werden und die Umwandlung von einem Computer vorgenommen werden, der an der beschriebenen Anordnung angeschlossen ist.
-
Bei dem beschriebenen Verfahren können Fehler in die Messung eingeführt werden, wenn das Material auf dem Band vertikal oder horizontal in dem Sinne entmischt ist, daß die Größenverteilung der gemessenen Teilchen auf der Oberfläche verschieden von der Größenverteilung der Teilchen im Inneren der Probe ist. Materialcharakteristika und Verfahren, welche das Band ändern, bestimmen dies. Der Verwendungszweck der Messung bestimmt daher, bis zu welchem Grad diese Entmischungsfehler zugelassen werden können.
-
Obwohl nur eine einzige Abtasteinrichtung für ein Band beschrieben wurde, versteht sich, daß Vielfachabtasteinrichtungen benützt werden können, die über die ganze Breite des Bandes 10 angeordnet sind.