本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1前序部分中記載的特征的用于檢測液體中顆粒的方法。

背景技術(shù)：

用于光學(xué)地檢測液體中顆粒的方法屬于現(xiàn)有技術(shù)。在這點上，參考ep2469264a1、wo2010/063293a1和wo2014/094790a1，在這些文獻(xiàn)中該檢測借助圖像檢測傳感器、例如ccd傳感器來進(jìn)行，該圖像檢測傳感器具有感光單元矩陣，其中待檢查液體被引入光學(xué)裝置的光路，該光路在至少一個光源與圖像檢測傳感器之間。這些裝置雖然被規(guī)定用于確定處于穩(wěn)定狀態(tài)中的液體中的顆粒的數(shù)量和質(zhì)量，但是也被用于近似穩(wěn)定的連續(xù)檢查，例如用于定期檢驗飲用水。這些裝置為此通常具有試樣載體，試樣載體的液體可更換。為此設(shè)置相應(yīng)的閥、可能的泵和排流控制器。

在評價圖像檢測傳感器的信號時，屬于現(xiàn)有技術(shù)的是檢測各個單元的像素值并至少部分地確定這些像素值的統(tǒng)計學(xué)分布。在此最頻繁地被確定的一個像素值或多個像素值被用作用于背景信號的值或平均值，該背景信號在稍后的信號處理時被從原始像素值減去，以便以該方式在計算上使背景或背景噪聲隱沒并簡化和改進(jìn)顆粒檢測。在這點上，參考kim,seongjai和lim,hyeona的，，methodofbackgroundsubtractionformedicalimagesegmentation“(《自然》2013)。

尤其地，在檢查飲用水時，但是還有在有利于增加沉積物或有機(jī)物生長、例如生物膜的其他液體的情況下，試樣載體的、尤其是試樣載體窗口的長時間穩(wěn)定性是有問題的。沉積物不是突然增加，而是連續(xù)且不具有可預(yù)見的速度地增加，并導(dǎo)致結(jié)果隨時間推移總是更不準(zhǔn)確直至測量完全失效。因此需要定期更換試樣載體，也就是說如下的構(gòu)件，在該構(gòu)件中，液體沿著窗口被引導(dǎo)，該窗口設(shè)置在光學(xué)裝置的光路中。因為沉積物增長的速度是變化的，所以試樣載體的更換必須預(yù)備性地在比較短的時間間隔內(nèi)進(jìn)行，這是成本過高和昂貴的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在該背景下，本發(fā)明的目的是提出一種方法，該方法檢測這些沉積物并且該方法根據(jù)可能性以現(xiàn)有的設(shè)施來檢測。

本發(fā)明的目的由如權(quán)利要求1中所述的方法來實現(xiàn)。用于實施該方法的相應(yīng)設(shè)計的裝置在權(quán)利要求12中給出。本發(fā)明的有利設(shè)計方案從從屬權(quán)利要求、下面的說明和附圖中得出。在此，在從屬權(quán)利要求和說明書中給出的特征可分別單獨但也可以以合適的組合來進(jìn)一步設(shè)計根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求12的按照本發(fā)明的解決方案。

在根據(jù)本發(fā)明的用于檢測液體中顆粒的數(shù)量和/或質(zhì)量的方法中，待檢查液體被布置在光學(xué)裝置的在至少一個光源與圖像檢測傳感器之間的光路中，該圖像檢測傳感器具有感光單元矩陣。在此，檢測這些單元的像素值并至少部分地確定這些像素值的分布，其中，最頻繁地被確定的一個像素值或多個像素值被用作用于背景信號的值或平均值，正如這原則上屬于現(xiàn)有技術(shù)的那樣。根據(jù)本發(fā)明，然而在達(dá)到用于背景信號的預(yù)定邊界值時發(fā)出一信號或中斷該檢測方法。

根據(jù)本發(fā)明的方法的基本思想是，如下這樣地評價用于背景信號的本身總歸要確定的值，即，該值處于用于背景信號的預(yù)定邊界值下方還是上方，其中，在達(dá)到該邊界值時或在超過時發(fā)出一信號或中斷該方法。因此，總歸要確定的值被確定用于查明：是否存在檢查窗口的不允許的高沉淀度或污染度，還有在光源與傳感器之間是否存在多余光學(xué)裝置，以便要么發(fā)出信號通知達(dá)到或超過該邊界值的信號，要么中斷該檢測方法。在此，當(dāng)給出了具有與可能的最大允許值的足夠間隔的邊界值時，信號發(fā)出可以是足夠的，該信號發(fā)出使用戶從中知悉現(xiàn)在盡快更換試樣載體或至少清潔該試樣載體或為此啟動自動控制。

用于檢測液體中顆粒的數(shù)量和/或質(zhì)量的根據(jù)本發(fā)明的方法在原則上不取決于液體靜止還是流動。但是優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的方法用于近似穩(wěn)定的液體，也就是說，待檢查的液體可流入試樣載體中，然后但是關(guān)閉入口和出口并等待一定的時間，直至處于液體中的顆粒不再運動，也就是說在顆粒懸浮的情況下達(dá)到近似穩(wěn)定的狀態(tài)并在比液體明顯更重或更輕的顆粒的情況下，這些顆粒要么完全下沉要么浮起。

根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，該方法使用了現(xiàn)有的資源并可以近似以軟件方式執(zhí)行，也就是說不引起附加的成本。

在此理想地，確定感光單元的整個矩陣的像素值分布?？衫斫獾氖牵绻麅H評價該矩陣的大部分，如果例如這些單元的一部分應(yīng)被用于其他目的并且為此不可用，也可以是足夠的。在此不必是最頻繁地被確定的一個像素值，而也可以是多個像素值。通常，在分布曲線圖中得出高點，該高點于是被用作用于背景信號的值或平均值，例如通過形成中間值。也被稱為噪聲信號的背景信號在稍后評價像素值時從每個單個的像素值減去，以便因此確保近似無噪聲的評價。

在此，根據(jù)本發(fā)明的有利改進(jìn)方案，可在達(dá)到用于背景信號的第一預(yù)定邊界值時發(fā)出一信號并且在達(dá)到第二預(yù)定邊界值時中斷該檢測方法。這種兩級解決方案是有意義的，以便提早指出光學(xué)裝置的、尤其是試樣載體窗口的污染增多，并且在另一步驟中最晚當(dāng)污染高到使得統(tǒng)計學(xué)上得到保障的評價不再可能時于是停止該檢測方法。在此，邊界值適宜地被預(yù)定為，使得第一邊界值明顯低于允許的邊界，在該允許的邊界之內(nèi)確保了液體中顆粒的可靠的數(shù)量檢測并優(yōu)選還有質(zhì)量檢測，第二邊界值正好處于該邊界值下方或由該邊界值自身構(gòu)成，使得在達(dá)到該邊界值時確保不再進(jìn)行檢測或中斷所述評價。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，有利地拍攝不同圖像平面中的多個圖像，就像這點例如在wo2014/094790a1中描述的那樣。為了在背景信號方面進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)上得到保障的評價，適宜的是，背景信號由多個相繼拍攝的圖像的值或平均值的中間值構(gòu)成，優(yōu)選是不同圖像平面的500至1500個圖像的中間值，但是是同一液體試樣。

為了不僅確保當(dāng)前檢查的質(zhì)量，而且為了尤其是檢測和評價光學(xué)裝置、尤其是試樣載體窗口內(nèi)部的沉積物或污染的增長，按照根據(jù)本發(fā)明的方法的有利改進(jìn)方案設(shè)置為，由時間上相繼進(jìn)行的對液體中顆粒的檢測來記錄用于背景信號的值并根據(jù)所記錄的值的時間上的變化來確定變化速度。根據(jù)該變化速度于是可容易地確定，檢測過程還可繼續(xù)多久，而不需要為清潔目的或更換構(gòu)件而干預(yù)該系統(tǒng)。在此，變化速度給出如下暗示，即，在何時要考慮沉積物和污物增長多少。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了不期望的且突然的改變時，變化速度的確定也允許提早被識別到。

按照根據(jù)本發(fā)明的方法的有利改進(jìn)方案，記錄用于背景信號的值和確定所記錄的值的時間上的變化可被有利地用于確定：預(yù)計何時達(dá)到用于背景信號的預(yù)定邊界值。因此，相應(yīng)地被設(shè)置的裝置可在相應(yīng)的顯示器中給出：預(yù)計最晚何時進(jìn)行清潔該裝置或更換試樣載體。

因此，背景信號適宜地被考慮作為針對光路中的污染的程度，并且在達(dá)到預(yù)定邊界值時，將容納待檢查液體的液體載體或試樣載體進(jìn)行清潔或更換，也就是說由新的或清潔好的液體載體進(jìn)行代替。

因為這種光學(xué)裝置中的污物、尤其是試樣載體窗口內(nèi)部的在此所討論的生物膜形成通常不是突如其來的，而是超過多天或多周地進(jìn)行，所以原則上不需要不斷檢驗該背景信號。但是根據(jù)本發(fā)明，有利地在每次檢測顆粒之前或至少在預(yù)定時間間隔內(nèi)進(jìn)行背景信號的確定，以便確保足夠的系統(tǒng)安全。根據(jù)本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案，原則上也可設(shè)置為：在未填充狀態(tài)中確定試樣載體的污染度，也就是說當(dāng)試樣載體尚未被液體填充或在測量過程之前將該試樣載體排空并且優(yōu)選地也使該試樣載體干燥時，確定所述背景信號。

在此，根據(jù)本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案，可在評價傳感器單元矩陣的像素值時將該矩陣實現(xiàn)為多個優(yōu)選相同大小的分矩陣，并可為每個分矩陣形成一背景信號。在此，將其背景信號超過預(yù)定的另一邊界值的一個分矩陣或多個分矩陣從用以檢測顆粒的進(jìn)一步評價中除去。根據(jù)本發(fā)明的該有利改進(jìn)方案的優(yōu)點在于，試樣載體窗口的各個嚴(yán)重被污染的部分被有針對性地在檢測中除去，例如氣泡或該數(shù)量級上的顆粒那樣的較大顆粒也屬于此類，如果例如涉及對例如細(xì)菌或渾濁物質(zhì)那樣的明顯較小的顆粒進(jìn)行檢測的話。

像素值的分布可不僅被用于確定背景信號，有利地由此也將顆粒按大小進(jìn)行分類。尤其地，如果重要的是檢測特定顆粒，則這種按大小分類已經(jīng)可以是第一選擇，該選擇可在方法上并且也在評價技術(shù)上相對容易地執(zhí)行。

適宜地，數(shù)字式進(jìn)行像素值評價。與此無關(guān)，適宜地已證實的是，用于背景信號的邊界值和/或用于分矩陣背景信號的另一邊界值被預(yù)定為最大像素值的10％至20％。該百分比數(shù)據(jù)不取決于像素值的分辨率。在相應(yīng)于256亮級分辨率的、8比特分辨率的像素值的情況下，已證實為有利的是，將用于背景信號的邊界值固定在30和50之間、優(yōu)選預(yù)定在35和40之間。因此，這意味著，在預(yù)先給定分辨率時在扣除背景信號之后還在任何情況下都留下多于200個不同的亮級。在此，該邊界值不取決于：是否涉及如下的光學(xué)裝置，在該光學(xué)裝置中，光源直接照透試樣載體窗口(明視場技術(shù))；或者是否涉及僅間接的光到達(dá)試樣載體的光學(xué)裝置(暗視場技術(shù))。重要的是，在這兩種情況下分別留下多于200級的測量范圍。

作為用于分矩陣背景信號的另一邊界值，已證實在8比特分辨率下35和45之間的值是有利的。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，于是僅將如下的分矩陣從進(jìn)一步的檢測過程除去，這些分矩陣具有所述分矩陣的超過35和45之間的值的背景信號，視在此哪個值被預(yù)定而定。

用于光學(xué)檢測液體中顆粒的根據(jù)本發(fā)明的裝置具有：光源；帶有感光單元矩陣的圖像檢測傳感器；設(shè)置在光源和圖像檢測傳感器之間的光路中的液體載體；以及具有控制和評價電子設(shè)備，該控制和評價電子設(shè)備檢測所述單元的像素值并且至少部分地確定像素值的分布，并且該控制和評價電子設(shè)備將最頻繁地被確定的一個或多個像素值用作用于背景信號的值或平均值。根據(jù)本發(fā)明，控制和評價電子設(shè)備被設(shè)計為，使得在達(dá)到用于背景信號的預(yù)定邊界值時發(fā)出一信號或中斷檢測過程。以類似的方式，根據(jù)本發(fā)明可構(gòu)造控制和評價電子設(shè)備，以實施前述其他的方法特征。

附圖說明

下面參照附圖闡釋本發(fā)明的部件，其中示出：

圖1為曲線圖，該曲線圖一方面示出背景信號在多于一年的時間段上的走向，另一方面示出像素值針對該時間段的頻率分布。

圖2a為借助于ccd傳感器檢測的試樣圖像，

圖2b為根據(jù)圖2a的圖像的像素值的頻率分布，

圖3a為在沉積物形成提高了的情況下相應(yīng)于圖2a的另一圖像，

圖3b為根據(jù)圖3a的圖像的像素值的頻率分布，

圖4a為具有大顆粒和小顆粒的圖像的大大簡化的視圖，

圖4b示出圖像4a的大顆粒在評價時如何被隱沒，

圖5a為相應(yīng)于圖4a的另一圖像，以及

圖5b為在評價時相應(yīng)的隱沒。

具體實施方式

在檢測液體中顆粒的數(shù)量和質(zhì)量時使用了本身已知的裝置，在該裝置中，將具有窗口的試樣載體設(shè)置在光源與ccd傳感器之間。在此，可要么直接進(jìn)行窗口的照明(明視場技術(shù))要么間接進(jìn)行窗口的照明(暗視場技術(shù))，然而這對于在此所討論的方法是不重要的。根據(jù)圖2a至圖5a的視圖正如其用于檢查飲用水適宜的那樣在暗視場技術(shù)中被拍攝，但是以被轉(zhuǎn)化的方式示出，尤其是以便確保復(fù)制和光學(xué)可識別性。實際上，在暗視場技術(shù)中所檢測到的顆粒在黑色或灰色的背景下看起來是白色。不僅在應(yīng)用明視場技術(shù)的情況下，而且在應(yīng)用暗視場技術(shù)的情況下，首先在傳感器的真正的信號評價之前確定用于背景信號的值。這點根據(jù)多個單個圖像來進(jìn)行，下面然而為清楚起見僅根據(jù)一個圖像來分別示出。

因此，例如相對根據(jù)圖2a的圖像確定像素值的頻率分布。利用其來生成根據(jù)圖2a的圖像的ccd傳感器具有感光單元矩陣，其中，每個單元相應(yīng)于所輸入的光量來產(chǎn)生電載荷，這些電載荷作為電信號被輸出，其中，為每個單元確定一像素值，該像素值相應(yīng)于該單元的載荷值。由此，在在這里所選擇的8比特分辨率的情況下，每個單元可確定256個亮度值，從最亮的白色直至最深的黑色。

在此，首先為根據(jù)圖2a的圖像確定，哪些亮度值、也就是說哪些像素值以何種數(shù)量出現(xiàn)在矩陣中。結(jié)果被再現(xiàn)在根據(jù)圖2b的曲線圖中。在根據(jù)圖2a的圖像中最頻繁出現(xiàn)的像素值1在頻率為3.5x10⁵的情況下具有25的亮度，如圖2b能夠識別的那樣。直接毗鄰的是具有類似高的頻率的其他亮度值，更確切地說是在20和30之間。在該區(qū)域中布置有圖2b的高點2，該高點代表根據(jù)圖2a的圖像的淡灰色區(qū)域。由該高點2構(gòu)成中間值，該中間值構(gòu)成背景信號并代表圖2a中的淡灰色面。

該背景信號在圖像評價中是不利的，因為該背景信號比整個圖像更亮。因此，在稍后的圖像評價中，將該背景信號從每個單個像素值扣除，使得為該評價提供在理想情況下沒有灰色背景而是具有白色(實際上是黑色)背景的圖像。在暗視場技術(shù)中，這點以反轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行，使得構(gòu)成在理想情況下深黑色的背景，其中，顆粒不像圖2a中那樣為深顏色，而是以淺顏色在該黑色背景前顯露。

在圖2a中，在圖像的左上角可看到大的暗斑點3，該暗斑點不涉及背景信號，因為該暗斑點是比較清晰地劃界的。在此情況下涉及就像其典型地由液體中的氣泡產(chǎn)生的那樣的斑點3。該暗斑點3在圖2b中由高點2旁的扁平高點4代表。正如不僅根據(jù)圖2a而且根據(jù)圖2b的曲線圖可看到那樣，比較清晰地劃界的該暗斑點3在實踐中對背景信號沒有影響。無論如何，該區(qū)域正如下面還參照圖4和圖5繼續(xù)闡釋那樣在信號評價中被排除掉。

針對利用多個圖像來分析的液體試樣的每個圖像可確定所述背景信號，所述背景信號由同一試樣的多個這種圖像構(gòu)成、例如被構(gòu)成作為500個圖像的平均值并被存儲。在此，該背景信號不僅被考慮用于圖像評價，而且也在時間上被記錄，如這點根據(jù)圖1所示的那樣。用5表示背景信號的時間上的走向，其中，橫軸表示時間上的走向(在圖1中經(jīng)過大約一年)，豎(右)軸表示像素值，該像素值是背景信號的基礎(chǔ)。

根據(jù)圖1的曲線圖示出了用于監(jiān)視飲用水的裝置的背景信號，在該裝置中設(shè)置可更換的試樣載體，該試樣載體在例如一小時的預(yù)先給定的時間間隔內(nèi)被待檢驗的飲用水沖洗，并當(dāng)關(guān)閉試樣載體的入口和出口時，然后在近似穩(wěn)定的狀態(tài)中被檢查。在此，至少在試樣載體窗口的區(qū)域中隨時間推移典型地形成生物膜，該生物膜使光學(xué)分析變得困難或從一定程度開始不再允許以所要求的可靠性和準(zhǔn)確性檢測顆粒。于是必須更換或至少清潔試樣載體。

在根據(jù)圖4的曲線圖中，用于背景信號的最大允許像素值為40。當(dāng)達(dá)到作為背景信號的該值時，必須更換或清潔試樣載體。在圖1中明顯可看到，在四個部位上達(dá)到該預(yù)定最大值40，然后于是更換試樣載體并且背景信號又降到值20以下。大約在01-01(表示一月一日)、01-04(表示四月一日)、01-06(表示六月一日)和01-08(表示八月一日)達(dá)到這四個時間點。像素值40在此是用于背景信號的預(yù)定邊界值，在該邊界值處中斷所述方法，至少中斷所述評價。

此外，可根據(jù)曲線5在上升區(qū)域中的陡度來確定污染的速度，進(jìn)而可以相當(dāng)可靠地預(yù)計，等待何時需要下一次更換試樣載體。最后，可選擇該上邊界值之下的預(yù)定邊界值，該預(yù)定邊界值用信號通知給用戶，窗口的污染已達(dá)到需要在可以預(yù)見的時間內(nèi)更換試樣載體的值，并將該更換由此及時通告。

但是，在圖1中不僅描繪了背景信號5的時間走向，而且描繪了檢測到的顆粒的頻率分布，更確切地說在包括被分類為細(xì)菌的顆粒的曲線6中和包括被分類為非細(xì)菌的顆粒的曲線7中描繪了檢測到的顆粒的頻率分布。如何進(jìn)行這種分類，不是本申請的主題，并因此在這里不繼續(xù)言及。在此，在這些曲線6和7中，雖然配屬了就像曲線5那樣的相同水平時間軸，但是豎軸在曲線圖的左刻度尺上給出了頻率分布。尤其地如在曲線6中部內(nèi)出現(xiàn)最大的頻率20x10⁴所明示的那樣，液體試樣內(nèi)部的細(xì)菌量的該陡的提升跟隨背景信號的、也就是說在窗口中于是形成的污垢膜的同樣陡的提升一起。但是此外，該曲線圖示出這些波動通常對窗口內(nèi)部的覆膜形成沒有影響。

圖3a示出了其中試樣載體窗口的污染度明顯上升的圖像，因此黑色區(qū)域8和紋影形區(qū)域9由沉積物形成，這些沉積物使測量過程、也就是說檢測位于窗口中的顆粒的數(shù)量和質(zhì)量變得困難。如根據(jù)圖3b的頻率分布所示那樣，在該圖像中形成的高點10明顯比在根據(jù)圖2a的圖像中所形成的高點2更扁平且更寬。用于背景信號的由此得出的平均值相應(yīng)地明顯更高，由此代表了較高的污染度。

為了更好地評價傳感器信號，不僅減去背景信號，而且在評價信號時此外在單個圖像中排除掉單元矩陣的單元的單個組。為此，將傳感器的可具有例如2560乘1920個單元的單元矩陣分成400個相同大小的子矩陣，其中，對于每個子矩陣以相同方式構(gòu)成一背景信號，就像這點以前述方式針對整個單元矩陣用于構(gòu)成背景信號那樣。為這些子矩陣又設(shè)置預(yù)定邊界值、即另一邊界值，該邊界值在8比特分辨率下處于0與255之間，并在這里例如同樣選擇為40。如果于是由于就像例如氣泡11、顆粒集聚12或邊緣上的反射現(xiàn)象13那樣的大顆粒而得出其背景信號超過40的子矩陣，則將這些子矩陣從進(jìn)一步的圖像評價中除去，就像這點根據(jù)圖4b或5b所示那樣。因此，在圖4a中可看到氣泡11的地方，在場區(qū)4b中可看到黑色的、清晰地被劃界的場區(qū)14，這些場區(qū)由一些這種被排除的單元子矩陣形成。相應(yīng)地，在圖5b中在中間留出場區(qū)15，該處在圖5a中布置的是顆粒集聚12，以及留出場區(qū)16，該處在圖5a中可看到邊緣上的反射現(xiàn)象13。通過該評價，可同時進(jìn)行較大顆粒在大小方面的粗特性化。也可此外確定，在被隱沒的場區(qū)14、15、16的最大數(shù)目的情況下不進(jìn)行進(jìn)一步的圖像評價，以便始終足夠地在統(tǒng)計學(xué)上確保這些評價。

附圖標(biāo)記列表

1像素值

2圖2b中的高點

3圖2a中的暗斑點

4圖2b中的扁平高點

5圖1中的背景信號的時間上的走向

6表示細(xì)菌的頻率分布的曲線

7表示非細(xì)菌的頻率分布的曲線

8圖3a中的黑色區(qū)域

9圖3a中的紋影形區(qū)域

10圖3b中的高點

11圖4a中的氣泡

12圖5a中的顆粒集聚

13圖5a中的反射現(xiàn)象

14圖4b中的被隱沒的場區(qū)

15圖5b中的被隱沒的場區(qū)

16圖5b中的被隱沒的場區(qū)