I många industriella och miljömässiga tillämpningar, Det är viktigt att bestämma storleken och fördelningen av mikroskopiska partiklar. Till exempel, inom läkemedelsindustrin, inline mätning och kontroll av partiklar som innehåller olika kemiska ingredienser (innan konsolidering i tabletter) kan kritiskt förbättra utbytet och kvaliteten på den slutliga medicinska produkten. Också, luften vi andas, vatten vi dricker och mat vi äter kan också innehålla många typer av ohälsosamma partiklar, vilket sedan är avgörande att upptäcka för vår hälsa och välbefinnande.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av europeiska forskare och ingenjörer från ICFO och IRIS i Spanien, Ipsumio B.V. i Nederländerna, Danmarks Tekniske Universitet, Technische Universität Dresden i Tyskland och University of Leeds i Storbritannien, har utvecklat en ny mikropartikelstorleksanalysator genom att kombinera hemelektronikprodukter och artificiell intelligens. Enheten, en storleksordning mindre vad gäller storlek, vikt och kostnad, mäter partikelstorleken med en precision som åtminstone är jämförbar med kommersiella ljusbaserade partikelstorleksanalysatorer.

"Det EU-finansierade projektet ProPAT syftade till att leverera nya sensorer för industriella tillämpningar. Innovationen som utvecklats av ICFO är ett bra exempel på en sådan sensor. Feedbacken från tester i pilotskala under verkliga förhållanden och slutindustrier flyttade sensorn från en labbenhet till potentiell tillämpbarhet i industriella miljöer, säger Frans Muller, professor i kemisk processteknik vid University of Leeds och teknisk chef för ProPAT.

Konventionellt, laserdiffraktion (LD) baserade partikelstorleksanalysatorer (PSA) används i stor utsträckning för att mäta partikelstorlek från hundratals nanometer till flera millimeter. I sådana enheter, laserljus fokuserat på ett utspätt partikelprov producerar ett diffraktionsmönster (spridningsmönster), mäts av en uppsättning ljusdetektorer och omvandlas till en partikelstorleksfördelning med hjälp av väletablerad spridningsteori. Dessa enheter är exakta och pålitliga men stora (varje dimension är i storleksordningen en halv meter), tung (tiotals kg) och dyr (kostar ofta i storleksordningen hundra tusen dollar eller mer). Dessutom, deras komplexitet, tillsammans med det faktum att de ofta kräver underhåll och högutbildad personal, göra dem opraktiska, till exempel i de flesta online industriella applikationer, som kräver installation av sonder i bearbetningsmiljöer, ofta på flera platser.

Den nyutvecklade PSA fungerar i en kollimerad strålkonfiguration med en enkel LED-ljusemitterande diod (LED) och en enkel metalloxid-halvledare (CMOS) bildsensor, liknande de som används i smarta telefoner. Nyckelinnovationen är det lilla vinkelspatiala filtret (ASF) tillverkat med en rad hål med olika diametrar som extruderas från en polymerstav. Vid belysning av målprovet, ljus sprids och passerar genom ASF till sensorn. Ljus som samlas in från hål i olika storlekar är representativt för en annan uppsättning spridningsvinklar. En ad hoc-maskininlärningsmodell (ML) omvandlar sensorbilden till partiklars storlek. Samma enhet kan enkelt omvandlas till en hazemeter, ett viktigt instrument för att karakterisera många optiska material.

"Det är väldigt spännande att se hur en enkel kombination av konsumentfotoniska komponenter, som en LED och en telefonkamera, ett innovativt vinkelfilter tillverkat med hjälp av massskalbar fotonisk kristallfiberextrudering och maskininlärningsdatabehandling har gjort det möjligt för oss att göra en så kompakt, billig och exakt enhet, " säger Rubaiya Hussain, uppsatsens första författare och Ph.D. kandidat i Optoelektronikgruppen på ICFO.

För att validera den nya PSA, blandningar av vatten och glaspärlor med storlekar i intervallet från 13 till 125 mikrometer testades vid flera processkoncentrationer i flytande dispersioner. Laserdiffraktionssystem kan inte mäta så höga koncentrationer eftersom ljuset sprids flera gånger vilket resulterar i spridningsmönster som inte kan omvandlas till partikelstorlek. Med hjälp av den slumpmässiga skogsmaskininlärningsalgoritmen kunde data från den nya enheten analyseras framgångsrikt, öka arbetsområdet för partikelstorlekar och koncentrationer som kan mätas.

"Vi använde PSA-enheten som byggdes vid ICFO i Barcelona för att samla in data från olika partikelstorleksintervall och koncentrationer av standardglaspärlor. Enligt de erhållna resultaten och vår erfarenhet, vi var glada över att se att precisionen för några procent av medianvolymen partikelstorlek (D50) är jämförbar med andra mättekniker (t.ex. LD) inom mikrometerområdet, säger Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, forskare i Mechanical Process Engineering-gruppen vid Technische Universität Dresden.

Framtida förbättringar av den optiska hårdvaran designas också. Särskilt, ytterligare optimering av den innovativa ASF-komponenten och förfinade datainsamlingsmetoder genomförs, att producera större, datauppsättningar med högre kvalitet för maskininlärningsalgoritmen. Framtida arbete kommer också att omfatta analys av icke-sfäriska partiklar, samlas in med väldesignade provmatningssystem för både torra och våta mätningar, leder till högprecisionsanalys för en rad industriellt relevanta system.

"Vi avser att använda den inneboende flexibiliteten i den enkla designen och låga hårdvarukostnaden för vår egenutvecklade PSA för specifika applikationer, till exempel online- eller onlineövervakning, och vi söker partners från olika industrier och forskningsinstitutioner, säger Valerio Pruneri, ICREA Professor vid ICFO och ledande författare till verket.