Laserowy licznik cząstek (stężenia) cieczy.

Witam,

Od tygodnia próbuje znaleźć informację jak zbudować licznik cząstek przepływającej cieczy.
Przeczytałem setki publikacji, mam zapisanych kilkadziesiąt sklepów z optyką i elektroniką ale dajej nie do końca jestem przekonany, że wiem jak to wykonać.
Jestem laikiem optoelektronicznym ale podjąłem się rzuconego wyzwania (jest na to konkretne zastosowanie). Muszę to zrobić - czyt. "i tak to zrobię" - za wszelką cenę (choć przy małym budzecie).

Wymagania minimum jakie sobie stawiam są następujące:
czyli pomiar czastek 1-2000um, stężenia, ok 120tys cząstek/ml (dla uproszczenia bez określania rodzaju materiału).

Z tego co przeczytałem (prosze o potwierdzenie) zadziała to tak:
Rzucam światło lasera na przepływającą ciecz, cząstki rozpraszają światło które przepuszczam przez optykę na detektory, czyli np. fotodiody. Część rozproszenia przejdzie "na wprost" do kolejnego detectora (mogę dzięki temu zliczyć ilość cząstek).
I teraz kwestia polaryzacji i widma. Światło lasera spolaryzowane zostanie odbite i rozproszone i jak zrozumiałem straci swoją liniową polaryzację (będzie kulista lub eliptyczna). Tylko dla cząstek mniejszych niż długość fali będzie dalej prostopadle spolaryzowane (ale tutaj cząstki będą większe więc to pomijam).
I teraz kluczowe pytanie, bo widziałem dwa podejścia do określania wielkości/rodzaju cząstki (ja potrzebuję "tylko" wielkość):
1. takie jak w cytometrze - filtrami dichroicznymi ograniczam poszczególne długości fali i rzucam to na detektory (konwertery na napięcie), klasyfikuje cząstki w zależności od zebranych wyników z poszczególnych detektorów długości fal
2. przepuszczam przez polaryzometry i sprawdzam kąt polaryzacji światła rozproszonego (to jest dla mnie nie trochę niejasne) - na tej podstawie, biorąc pod uwage długość fali lasera, odległośc oraz ośrodek (ciecz) mogę sklasyfikować poszczególne wielkości cząstek.

O ile z programowaniem (++) i elektroniką(+/-) powinienem sobie poradzić to zupełnie nie wiem jak ogarnąć detektory i samą optykę.
Oczywiście zdaję sobie sprawę, że mogę to bagatelizować i temat jest dużo trudniejszy ale przecież "ktoś już to kiedyś zrobił"

Nie chcę się dalej rozpisywać teraz (za duzo pytań), będę wdzięczny za wszelkie opinie/linki, jak podejść do tematu, żeby nie tracić wielu godzin i wielkich kwot $ na zakup bezwartościowych elementów optycznych (na marginesie dysponuje laserami zielonym i czerwonym i jakąś optyką, no i oczywiście cieczami testowymi )

Z góry dziekuje!

Te dwa sposoby badania oparte są o 2 źródła:
1. Cytometria
2. Laserowy licznik cząstek

Reszta to głównie prace magisterskie/doktorskie, instrukcje użytkownika urządzeń - głównie teoria.

A tu przykład takiego urządzenia które chciałbym zbudować:
CCS-Fluid fa-klotz

dzieki za podpowiedzi, faktycznie srednica rurki musi byc b. mala
Skorzystam z obu pomysłów, kapilary widzialem 1mm - na teraz musi wystarczyc, sprobuje tez zrobić odlew (muszę się szybko nauczyć robienia takich odlewów, uff).

Nie do końca rozumiem tą ciecz o podobnym współczynniku załamania - ma być pomiędzy kapilarą a klockiem z tworzywa? dlaczego ta ciecz jest tutaj stosowana i tak istotna ? b. upraszczając gdyby cieczy przed kapilarą nie było to światło trafi na kapilare z tym samym współczynnikiem załamania co kapilara, wiec może - być może naiwne pytanie - w jakim celu ta ciesz ?

Czy wiesz może jaki element byłby najlepszy zaraz po odbiciu, czytałem, że photomultipicatory (MTP) są lepsze od fotodiod. I chyba najlepiej to światło puścić światłowodem na zewnątrz i tam robić dopiero pomiary. Może jakaś dodatkowa optyka do światła odbitego/rozproszonego ?

A może rurka o przekroju prostokątnym byłaby lepsza?

Jeśli cząstki nie są z metalu, to polaryzacja po odbiciu może być bardzo różna; po odbiciu od metalu pozostanie liniowa.

Fotodiody są na ogół mniejsze od fotopowielaczy, więc pozwolą dokładniej określić, w którą stronę poleciało światło odbite.

Dzieki za wskazówki. Prostokątna wydaja się być idealna, Tylko muszę takie cos znalezc..

Żeby projekt szedł do przodu zrobiłem dzisiaj jedną rzecz.
Zrobiłem zliczanie cząstek na sucho, metodą "zliczania z tyłu" - tak to nazywam. Wziąłem mikroskopijną klepsydrę odmierzającą 3 min. Wielkość ziarnka to na oko około 30~70 um
Ziarnka spadają przez mikroskopijną dziurkę, pewnie ~100 um albo i mniej (napewno mniej).
Wysyłałem światło lasera zielonego, detekcja na fotorezystorze - wejście analogowe do mikrokontrolera.
Jeden pomiar co 12 ms (to sporo wiem). Prędkość spadania niewielka, ale nie dużo mniejsza niż płynu który będe mierzył.

Wyszło jak na wykresie:


Os X - millis()
Os Y - wartos analog wejscia z fotorezystora

Moze nie jest idealnie ale spokojnie mozna odczytac ilosc ziaren. Wartosci u gory - brak ziarna, wartosci na dole - jest ziarno.
Oczywiscie stół drgał, ja pierwszy raz laser odpaliłem w życiu i wszystko zawieszone w imadełku + przyrząd typu lupa. Ale muszę się spieszyć z robieniem dowodów koncepcji poszczególnych zagadnien hehe. Wykres też w excelu a nie w pythonie, program na arduino a nie na 'własnym' mikrokontrolerze którego chce użyć. No i dokładność, przy ~50um działa, pytanie jak zadziała dla 5 um. Te czasy pomiaru 12 ms to duzo za duzo chyba.

// dopisek: klepsydra ma zweżke na srodku do tych ~<100um

Co sądzicie, czy dopracowywać zliczanie tą metodą czy liczyć też odbicia, czy może jeszcze inaczej? Ja z takiego wykresu jestem już spokojnie softwarowo obliczyć ilość.
Dzięki jeszcze raz.

Może przydatny będzie ten link: http://www.ti.com/lit/ug/tidub65c/tidub65c.pdf

Masz racje, kolejny test zrobie na fotodiodach. Przy szybszym odczycie analogowym.
Dochodzę do wniosku, że przydałby mi się wzorcowy pomiar, inaczej to bujanie w obłokach.
Tak czy siak, muszę znaleźć działające urządzenie pomiarowe do którego będę mógł odnosić wyniki moich pomiarów.
Jeżeli znacie producenta z miare niskimi cenami to proszę dajcie znać. Ten przyrząd który linkowałem wcześniej kosztuje astronomiczną kasę.
Dzieki

OK, jestem po kolejnym dniu researchu i testów. Temat chciałem zamknąć żeby nie przedłużać.
Dziękuję wszystkim za wskazówki, mam już plan i wiedzę minimum na złożenie urządzenia testowego.
Jeżeli ktoś jest ciekawy dalszych prac/postępu to zapraszam na priv.

Podaje link do podobnego projektu amatorskiego:
TurbidityMeter

Doczytałem różnicę pomiędzy pomiarem turbidity (zmętnienie) a pomiarem wielkości cząstek. Jest to kluczowa różnica którą nalezy wziąć pod uwagę. Samo turbidity nie wystarczy. Zauważyłem dziwny rozbieżność terminalogi, czasami producenci zupełnie pomijają turbidity i piszą i wielkości czastki (którą wyliczają z turbidity) a czasami jest samo turbidity.

W powyższym linku, tak samo jak niektórzy z Was pisali, wymienione są kluczowe elementy mające wpływ na wynik pomiaru:
1. metoda - albo samo turbidity mierzone na wprost z jednym detektorem i potem z tego przeliczana wielkość ziarna albo nefelometria (poprawcie mnie, mogę to dziwnie nazywać) która oprócz turbidity poda też faktyczną wielkość ziaren - czyli dwa detektory, mierzymy zarówno ilość światła na wprost które przeszło (tu są różne odmiany, najczęściej stosuje się wiecej - 32 - fotodetektorów pod różnymi małymi kątami) oraz fotodetektor 90stopni - jak w podanym linku
2. szkło - tutaj trzeba brać pod uwagę współczynnik załamania światła, są sklepy które to podają, trzeba użyć - tak jak pisaliście - "naczynia w naczyniu" żeby złagodzić efekt - ma to kluczowy wpływ
3. czułość fotodiod - powinny być dobrane z max czułością do długości fali, te standardowe są na światło podczerwone i mogą dawać słabe wyniki , o fotorezystorach i fototranzystorach należy chyba zapomnieć ze względu na długie czasy reakcji
4. długość fali lasera
5. rodzaj cieczy, rodzaj cząstek
6. ciśnienie, temperatura, kalibracja i inne pomniejsze czynniki

Mój plan się wykrystalizował:
1. muszę zdobyć kilkadziesiąt min litrowych próbek cieczy z a) różnymi turbidity oraz b) różnymi wielkościami cząstek - ustandaryzowoanych zgodnych z normami dla badań- tutaj najlepszy, regularny przekrój cząstki ma coś co się nazywa polimer latex
2. zdobyć pin fotodiody dla max czułości dla fal zielonych i czerwonych - około 20 to minimum
3. zamówić szkło - znalazłem producenta o przekroju kwadratowym z podanymi wsp załamania
4. zrobić w międzyczasie krótsze odczyty na mikrokontrolerze - 5 ms to jest mój cel
5. zrobić projekt obudowy do układu z dwoma fotodiodami, zamknięty układ

To wyzwanie na kilka tygodni jak mniemam, jak uda mi się to wszystko zlożyć to pewnie coś pokaze.
Jeszcze raz dzieki za odpowiedzi.

Wiesz co, trochę nieśmiało podchodzę bo to mój pierwszy temat na elektrodzie, ale jeżeli choc jedna osoba będzie to czytać to jestem zmotywowany

Szkło kwadratowe
Pewnie linków znajdziesz więcej bez problemu.

Btw podrasowałem troche atmege i mam teraz max 500 odczytów / 7~8 milisekund, prescale 16. To jest trochę dla mnie zaskakujące, że aż tyle da się wyciągnąć. Teraz dobre pytanie jak takie ilości danych zrzucić na zewnątrz do obróbki ?
Tutaj link jak to zrobić: Arduino

No i kluczowa sprawa to porównanie fotorezystora, fotodiody i fototranzystora: Porównanie fotodetektorów
Mam jedynie fotorezystory (które odrzuciłem) i fototranzystory - Te drugie dzisiaj potestowałem, mam naprawdę szybkie odczyty zmiany analoga. Fototranzystory, jak sie okazuje, sa niewiele gorsze od fotodiod (jedynie pasmo opadajace jest gorsze).
Jedynie miałem duże trudności z kalibracją, trzeba użyć zewnętrznego potencjomentru żeby otrzymywać pełny zakres 0-1023 na wyjściu.

Przy okazji (za http://c4r0.elektroda.eu/_hv/index.php?page=lasers/greenpointer) rozbebeszyłem mój zielony laser ale zmasakrowałem go doszczętnie, niestety ten szajs który kupiłem był starszy (tak podejrzewam) i toporniejszy niż cr40. Ale udało mi się odzyskać soczewki, jedna z nich okazuje się być całkiem pomocna, rozszerza wiązke na końcu i powoduje tyle, że łatwiej jest robić odczyty.

Podłączyłem też pompe i zacząłem mierzyć przez okrągłą 2 mm rurke. Pojawiły się bomble z powietrzem. Jak doczytałem, producenci takich urządzeń rozbijają bomble z powietrzem ultradzwiekami, jest to jakis konkretny temat do ogarniecia. Jeszcze nie skończyłem testów,.

Tyle na dzisiaj, pewnie będę jeszcze robił jakies testy.

Szybkie fotodiody przenoszą ponad 100MHz, ale niełatwo przetwarzać sygnały w takim tempie. A do 64k sampli/s wystarczy szybszy fototranzystor.

Może do przetwarzania danych użyć jakiegoś Raspberry Pi, albo nawet Orange Pi?

- Co do raspberry pi to straciłem do niej zaufanie jak po 4 tygodniach obsługi prostego skryptu w pythonie do sterowania bramą (praktycznie zero wysiłku procka) nagle pokazała przegrzanie i się wyłączyła. Radiatory poprawnie zamontowane itd.
Zamierzam zmniejszyć ilość sampli do 1 kHz wiec powinienem spokojnie sobie poradzic nawet na atmega i wysylaniem tego do kompa. Ale to temat na teraz drugorzędny (przynajmniej wiem jak do tego podejsc)
- Bomble w płynie to faktycznie problem który znika przy lepszej pompie (ciśnieniu) - sprawdziłem.

Btw znalazłem super materiał tutaj: Light scattering

Mam jedno kluczowe pytanie, ostatnio spaliłem fototranzystor kiedy wiązke z diody posłałem przez jedną z soczewek skupiających (wyciągniętą z jakiegoś chińskiego wskażnika - ta na końcu). Z pierwotnej wiązku ~ 2 mm zrobił mi się punkt 0.2 mm i fototranzystor padł od razu.
Pytanie:
Jak powinien wyglądać układ soczewek przed puszczeniem wiązki na obiekt, i jakie soczewki po przejściu/rozproszeniu?
Dioda laserowa + soczewka (1) skupiająca + kolimator -> obiekt -> soczewka (2) ?? -> fotodetektor (fotodioda lub fototranzystor)
Jakiej soczewki nr 1, 2 użyć ??
Zakładając, że mam min 2 fotodetektory, na wprost i pod kątem:
- natężenie światła odbitego (rozproszonego) pod kątem będzie małe - tu przydałoby się je jakoś wzmocnić przed odczytem
- natężenie światła przepuszczone będzie duże - tu przydałoby się go osłabić (żeby nie spalić detektora)
Zakładam, że cząstki które chciałbym wykrywać to zakres 1-2000um więc wiązka skolimowana musi być odpowiednia do tego zakresu.

Ja do zbierania danych używałem "terminala" HP T5710 - to jest minikomputer, daje się na nim zainstalować Slitaz-a (mini-Linux), do komunikacji z elektroniką używałem portu drukarki - elementarna operacja trwała 1us, to pozwalało robić do 20k sampli/s 12-bitowym ADC (ADS7816) z interfejsem szeregowym, jakkolwiek ADS7816 mógłby działać 10X szybciej.

Może fototranzystor nie powinien być w wiązce, a obok, żeby złapać światło rozproszone na wykrywanych cząstkach?

Dzięki za wskazanie tego ADS7816, muszę się przyglądnąć. Ten HP-ek dosyć tani fajne rozwiązanie.

Co do łapania światła na wprost to muszę to mieć do określenia gęstości (lepiej nazwać to turbidity/zmętnienie). Po prostu zliczam wszystkie piki odczytów napięcia, robie średnią, i na tej podstawie mogę wyznaczyć NTU. Mogę mieć małe cząstki gęsto lub duże cząstki rzadko, a to może dać podobne pomiary. Stąd proste/tanie sensory zmętnienia są nie wystarczające.
Wielkość cząstki można wyznaczyć na podstawie "obok" (z tego co czytałem, jeszcze nie udało mi się tego poprawnie odczytać).
Dla różnych materiałów światło będzie inaczej się odbijać, i do tego pod różnymi kątami, stąd czasami rozwiązanie dynamicznego kąta pomiaru (lub pomiaru pod wieloma kątami). Ten link kilka postow powyzej to dobrze tłumaczy/pokazuje.

Jeżeli ktoś już to poprawnie zczytywał "pod kątem" i może się podzielić doświadczeniami to będę wdzięczny. Np. jak mocny laser, żeby odbicia były do wyłapania.

btw dzisiaj uderzyłem w temacie płynów testowych, co ciekawe duze laboratorium chemiczne w dużym mieście nie mialo pomiaru wielkości czastki a jedynie pomiar właściwości w oparciu o mikroskopie polaryzacyjna. Widocznie nie potrzebują. Napisałem jeszcze do kilku innych miejsc, zobaczymy jaki bedzie odzew.