Фотоэлектрический счетчик частиц аэрозоля

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ, Ы,/ „, 1106245 А1 (gt)s G 01 И 15/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3515637/25 (22) 02.12.82 (46) 15.01.93. Бюл. Г 2 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт молекулярной биологии (72) С ° Н.Кулькин, А.А.Медведев, А.Н,Наумочкин и H.À.Ïðoòàñoâ (56) Патент США М 4037964, кл. G 01 N 15/02, 1977.

Cooke D.D Kerker М. Арр. Optics, ч. 14, 1975, р. 734-739. ,(54)(57) 1. оОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИй СЧЕТЧИК .ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ, содержащий последовательно расположенные источник света, фокусирующую линзу, измерительный объем, собирающую линзу и оптически связанный с ней фотоприемник, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений частиц по размерам и снижения погрешности измерений путем регулирования

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в промышленной технологии, сельском хозяйстве, биологии, метеорологии.

Известно устройство для измерения суммы радиусов частиц аэрозоля, содержащее последовательно расположен-, ные лазер, измерительный объем, при-. емную линзу, в фокальной плоскости которой расположен пространственный фильтр, собирающую линзу и фотоприемник. Коэффициент пропускания фильтра таким образом:зависит от расстояния до оптической оси, что световой поток, рассеянный частицами и прошединтенсивности рассеянного частицей светового пучка по апертуре входной оптической системы фотоприемника, между измерительным объемом и собирающей линзой установлен корректируюций узел, выполненный в виде колец, концентрических по отношению к оптической оси фокусирующей линзы, с возможностью регулируемого маскирования площади каждого кольца в зависимости от оптического показателя преломления частиц.

2. Счетчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что каждое кольцо корректирующего узла выполнено из набранных в пакет прозрачных дисков, установленных с возможностью поворота Я вокруг оси, на которых размещены непрозрачные сектора, суммарная плоцадь которых по крайней мере равна плоцади всего кольца. ший через фильтр, пропорционален сумме их радиусов.

Данное устройство имеет низкую точность измерений и ограниченный диапазон измерений вследствие того, что для расчета фильтра использует ся дифракционное приближение, неприменимое для частиц с диаметром менее

5 мкм.

Наиболее близким техническим решением к описываемому является фотоэлектрический счетчик частиц, содержащий последовательно расположенные источник света, фокусирующую линзу, измерительный объем, собирающую линзу и оптически связанный с ней фото1106245 приемник. Рассеянный частицей свет, пройдя через приемную апертуру, регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

Недостатком является наличие в диапазоне-измерений нерабочих областей, где невозможно однозначное определение размера частиц или слишком низка точность измерений, Для однозначного определения размера частицы кривая зависимости сигнала фотоприемника от размера частиц должна монотонно возрастать с увеличением диаметра. Практически we имеются участки неоднозначности шириной 0,6:

:1,5 мкм, Как правило, участки располагаются в диапазоне неприменимости дифракционного приближения в зависимости от конкретной конструкции оптической фокусирующей и собирающей систем. Имеются также участки в диапазоне измерений, где сигнал фотоприемника возрастает очень медленно с увеличением диаметра частиц, что приводит к низкой точности измерений.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений частиц по размерам и снижение погрешности измерений путем регулирования интенсивности рассеянного частицей светового пучка по апертуре входной оптической системы. фотоприемника.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрическом счетчике частиц аэрозоля, состояцем из последовательно расположенных источника света, фокусирующей линзы, измерительного объема, собирающей линзы и оптически связанного с ней фотоприемники, между измерительным объемом и собираюцей линзой установлен корректирующий узел, выполненный в виде колец, концентрических по отношению к оптической оси фокусирующей линзы, с воэможностью регулируемого маскирования площади каждого кольца в зависимости от оптического показателя преломления частиц.

Кроме того, предложено каждое кольцо корректирующего узла выполнить иэ набранных в пакет прозрачных дисков, установленных с воэможностью поворота вокруг оси, на которых размещены непрозрачные секторы, суммарная площадь которых по крайней мере равна площади всего кольца.

На фиг.l изображена оптическая схема фотоэлектрического счетчика с

55 коаксиальной собирающей апертурой» на Фиг,2 изображена оптическая схема счетчика с некоаксиальной собирающей апертуро"; на фиг.3 4, 5, 6, 7 - варианты конструкций корректирующего узла, на фиг. 8, 9 - кривые зависи" мостей электрического сигнала с фотоприемника от диаметра частиц, на фиг.10, 11, 12 - примеры настроенных корректирующих узлов.

Фотоэлектрический счетчик содержит источник света 1, фокусирующуа линзу 2, измерительный объем 3, находящийся в фокусе линзы 2„ корректируюций узел 4, собирающую линзу 5, фотоприемник 6, светоловушку нерассеянного пучка 7, Сфокусированный пучок расположен в телесном угле 2, собирающая апертура для схемы на фиг.1 заключена между углами и f3 а для схемы на фиг.2 наклонена к оптической оси на угол Ч и заключена в телесном угле 2Р.

Корректирующий узел выполнен в виде колец 8.1-8.И (М = 10), которые в с>дном варианте (фиг.3 и 4) конструкции образованы из набранных в пакет прозрачных дисков 9 с размещенными на них непрозрачными секторами

10, В другом варианте (фиг.5 и 6) кольца образованы кольцевыми направляющими 11, в которых установлены подвижные шторки 12 с воэможностью перекрытия площади кольца. В третьем варианте (фиг.7) каждое кольцо выполнено в виде сменного ослабления 13.

Устройство работает следующим образом.

В

Каждое кольцо корректирующего узла пропускает на фотоприемник рассеян ный частицей световой поток в некотором угловом диапазоне. Величина этого потока монотонно возрастает с увеличением диаметра частицы. Однако в диапазоне измерений 0,6-1,5 мкм образуется неоднозначная зависимость светового потока от диаметра частиц. Для различных колец, т.е. для разных углов расселния, зти участки неоднозначности располагаются в разных местах при полностью открытых кольцах, зависимость суммарного светового потока от диаметра также имеет участок неоднозначности. Это объясняется тем, что неоднозначности от отдельных колец не компенсируются возрастающими участками от других колец. Однако, уменьшив количество света, проходящее через некоторые кольца, вклад копричем

В развер ет вид

М

Зо у,.

i -- i

0 торых в открытом состоянии в образование неоднозначности максимален, удается добиться монотонного возрастания сигнала с фотоприемника при увеличении диаметра частиц во всем интересующем диапазоне размеров. В ряде случаев необходимо увеличить крутизну этой зависимости. Требуемая корректировка достигается маскированием площади кольца с помощью предложенных конструктивных средств. Например, при наличии шторок - прикрываются шторки и т,п. При устранении участка неоднозначности расширяется диапазон и повышается точность измерений.

Рассмотрим подробнее принцип построения корректируюцего узла. Разобъем область углов, в которой расположена приемная апертура, на И кольцевых участков (например M=10), коаксиальных с оптической осью осветителя, и рассчитаем для каждого участка величину падающего на него светового потока Е1 (d, m), где d - диаметр частиц, m - оптический показатель преломления вещества частиц, 1, 2,..., N. Это достигается интегрированием индикатрисы рассеянного частицей света, вычисленной по точной теории Ии, по углам апертуры осветителя и кольцевого участка приемной апертуры и по диапазону длин волн осветителя. С учетом спектральной чувствительности фотоприемника величина

Е; (d, m) пропорциональна отклику фотоприемника на свет, падающий в i-й кольцевой участок приемной апертуры.

Полный сигнал с фотоприемника, по которому определяется размер частицы, равен сумме вкладов отдельных колец м

E(a, m) - Q E < (d, m) (1)

1 ( и имеет области неоднозначности при некоторых диаметрах d, когда при разных диаметрах сигнал с фотоприемника одинаковый. Суммируя вклады от колец с некоторыми весовыми коэффициентами

P, в ряде случаев удается устранить эту неоднозначность за счет того, чт»о для разных кольцевых участков неоднозначности возникают в разных областях диаметров ° Скорректированный таким образом сигнал будет иметь вид м

Е*(Й» m) + Р; Е, (d» m) (2)

1 1

106245 6

Теперь достаточно закрыть часть площади каждого i-го кольца светонепро ницаемым материалом, чтобы получить корректирующий узел, устраняющий о6ласть неоднозначной зависимости сигнала с фотоприемника от диаметра частиц, или увеличиваюций крутизну этой зависимости для снижении ошибок из10 мерений.

Таким образом, для определения доли открытой площади в кольцах, или, что то же самое, коэффициентов пропускания каждого кольца, необходимо решить систему неравенств относительно Р;

E*(d +, ) — E*(d ) ) 0 (3)

» » 1 1»

20 где d — диаметр частиц из интересую3 щего диапазона размеров, d y<)d> номер градуировочной точки, число градуировочных точек. нутом виде выражение (3) - име(E, (d + <» m) — Е; (d „, m) ) > (4) Р; 1 i = 1 2,...»М, j = 1,2, 11»

35 где Р; - коэффициент пропускания света через кольцо .(или весовой коэффициент), m - оптический показатель преЩ ломления вещества частиц, номер кольца.

E; (d, m) — вклад i-ro кольца в полный сигнал фотоприемника без маскирования, вычисляемый

45 по точно" теории светорасселния M и, в относительных единицах;

И - число колец, N - число градуировочных точек

M j - номер градуировочной точки.

В качестве примеров реализации изобретения рассмотрим некоторые настроенные на конкретные оптические показатели преломления корректирую55 щие узлы для коаксиальных и некоаксиальных схем.

Счетчик по схеме на Фиг.! имеет значение углов f = 65, f = 15 и P =

= 45 . Градуировочные кривые (зави7 1106245 8 симость сигнала с ФЭУ от диаметра Примеры настроенных узлов показаны частиц) для показателя преломления на фиг, 10, 11, 12. Для показателя и = 1., 54, 1,7 и 1 45 без корректи- m = 1,54 (Фиг. 10) закрыта 1/6 часть щих узлов оказаны Ha © r.8 (HpH- 5 ц 8.1, т.к. Pg 5/6, е кольцах вые 14, 15) и фиг.9 (кривая 16) со- 8.2-8.6 закрыто 5/6 частей (Рв-Р ответственно. Видно, что одному зна- = 1/6) и т.д. Корректирующий узел .в чению Е соответствует от одного до положении для m = 1,45 приведен на трех значений диаметров. Расчет кор- фиг. 11. Кольца 8.1-8,4 закрыты наректирующего узла указанным выше спо- 10 половину (Р» -Р = 1/2), а остальные собом, при разбиении углового диапа- открыты полностью. Для некоаксиальной зона на 10 участков, показал, что схемы (фиг,2) корректирующий узел для выбор весовых коэффициентов для m = m = 1,45 показан на фиг. 12. Так как

1,54 в виде p; = (С/6, 6(1/6), 2/6, кольцо 8.10 Лелино быть лредстввлено

1) и для и = 1,45 в виде Р, = f 4(0,5), gr с относительным весои Р, = 1, а при-

6(1)j, 1 = 1, 2...,10, позволяет емная апертура вырезает из всего устранить участки неоднозначности кольца сектор с угловым раствором М, градуировочной кривой. Полученные за- то для сохранения весовых коэффициен висимости с корректирующими узлами тов с меньшими номерами необходимо для та = 1,54 и 1,45 показаны соответ- 20 закрыть области А (фиг. 12). Тогда ственно на фиг.8 (кривая 17) и фиг.9 область В реализует значения Р, +Р = (кривая 18). Кривая 19 на фиг.8 отоб- = 1/2. Аналогично учитываются при и ражает зависимость сигнала Е от диа- стройке конечные площади секторов 10 метра частиц с показателем m = 1,7 (фиг. 4) или полностью открытой штор-. при наличии корректирующего узла, . 25 ки 12 (фиг. 5). настроенного на показатель преломле- Анализ кривых зависимостей электния m = 1,54, Видно, что и в этом рического сигнала с фотоприемника от случае область неоднозначности суще- диаметра частиц показывает; что предственно сужается. Это означает, что лбженное устройство по сравнению с одно HacTpoGHHoe положение корректи- 30 базовым объектом (он же прототип) рующего узла достаточно для исправ-,расширяет рабочий диапазон измерения пения градуировочных кривых для целе- аэрозольных частиц на 0,5-0,8 мкм, а

coro поддиапазона оптических показа- погрешность измерений этих частиц телей преломления вещества частиц. снижается с 20 ь до 4-6 ь.

1106245

8. f

8.Я

1106245!

106245

Рие. 0

Puz. 10

Pua. Q

Редактор Т.Шарганова Техред М.Моргентал Корректор С.Юско

Заказ 1005 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета llo изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5

»« »« М

Производственно-излательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101