Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике ,в частности, к оптическим способам контроля параметров дисперсных сред. Оно позволяет определять концентрацию частиц в потоке прозрачной среды и может быть использовано в электронной промышленности, биологии, медицине и при контроле загрязнения окружающей среды. Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела определяемых концентраций частиц. Сущность изобретения состоит в том, что среду с исследуемыми частицами подвергают зондированию пересекающимися взаимно когерентными лазерными пучками с различающимися частотами. Сигнал биений фотоприемника селектируют на разностной частоте и определяют средние значения квадратов фототоков. Попеременно регистрируют сигналы рассеяния из зоны пересечения пучков и области вне зоны их пересечения. Из отношения средних квадратов фототоков, относящихся к указанным двум зонам рассеяния, определяют концентрацию частиц. В основу способа положен физический эффект, состоящий в различном влиянии на флуктуации сигнала фотосмешения, флуктуаций числа частиц в области корреляции рассеяния двух пучков (зона пересечения пучков) и в области отсутствия корреляции рассеяния двух пучков (вне зоны пересечения пучков). Способ наиболее чувствителен в диапазоне малых концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объеме препятствуют эффективному применению других интегральных методов из-за возрастания статистических погрешностей. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я1 4 G О1 1! 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ?ЕНИЯ

К A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4343174/31-25 (22) 03.11.87 (46) 07.07.89. Бюл, Я - 25 (71) Московский энергетический институт (72) Б.С. Ринкевичюс, В.И. Смирнов и Е.Л. Федянина (53) 66.063 ° 62(088.8) (56) Ринкевичюс В.С., Янина Г.M.

Лазерная анемометрия квазидисперсных двухфазных потоков.-В сб.: Парожидкостные потоки,-Минск, 11TNO им, А.В, Лыкова, АН БССР, 1974, с. 194-208.

Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли.—

М.: Химия, 1978, с. 206. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПРОЗРАЧНОП СРЕД! 1 (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим способам контроля параметров дисперсных сред, Оно позволяет определять концентрацию частиц в потоке прозрачной среды и может быть использовано в электрон— ной промышленности, биологии, медицине и при контроле загрязнения окружающей среды, Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим способам контроля параметров дисперсных сред, позволяет определять концентрацию частиц в

„„SU„„1492242 А 1 определяемых концентраций частиц.

Сущность изобретения состоит в том, что среду с исследуемыми частицами подвергают зондированию пересекающимися взаимно когерентными лазерными пучками с различающимися частотами. Сигнал биений фотоприемника се— лектируют на разностной частоте и определяют средние значения квадратов фототоков, Попеременно регистрируют сигналы рассеяния из зоны пересечения пучков и области вне зоны их пересечения, Из отношения средних квадратов фототоков, относящихся к указанным двум зонам рассеяния, определяют концентрацию частиц. В основу способа положен физический эффект, состоящий в различном влиянии на фпуктуации сигнала фотосмешения, флуктуаций числа частиц в области корреляции рассеяния двух пучков (зона пересечения пучков) и в области отсутствия корреляции рассеяния двух пучков (вне зоны пересечения пучков) °

Способ наиболее чувствителен в диапа- эМ

Ф зоне малых концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объеме препятствуют эффективному применению других интегральных методов из-за возрастания статистических погрешл ностей, 1 ил. потоке прозрачной среды и может быть использовано в электр ниой промышленности, биологии, мединиие и при контроле загрязнения и.ружаюяк и среды, 1492242

Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела определяемых кон центраций частиц.

На чертеже изображена блок-схема устройствl реализующего способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды, Устройство содержит лазер 1 непрерывного излучения, акустооптический модулятор 2, зеркало 3, собирающий объектив 4, полевую диафрагму 5, фотоприемник 6, селективный частотный фильтр 7 и блок 8 обработки и регистрации, Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды осуществляется следующим образом, Пучок непрерывного излучения лазера 1 с частотой Ы< направляется во входную апертуру акустооптического модулятора 2, на выходе которого, кроме прошедшего пучка с частотой формируется также второй пучок с частотой Ыг, распространяющийся наклонно к направлению 1«ервого пучка.

Разность И, — С;) частот определяется .частотой сигнала, возбуждающего акустооптический модулятор 2 ° Разность(д, †(,) частот первого и второго пучков выбирается иэ условия)p, -Ю 14 (= —, так как при большей разности

С3< частот вьделение, селекция и обработка сигнала на частоте биений не могут быть выполнены эффективно из-за значительных технических трудностей, С помощью зеркала 3 осуществляется пересечение первого и второго пучков внутри области 9, занятой средой с исследуемыми частицами. Рассеянный частицами свет собирается объективом

4 и регистрируется фотоприемником 6, обеспечивающим фотосмешение сигналов рассеяния первого и второго пучков лазерного излучения, Полевая диафрагма 5, снабженная двумя отверстиями, позволяет попеременно регистрировать рассеянный частицами свет из зоны пересечения первого и второго пучков и из области, лежащей внутри области 9, но вне эоны пересечения пучков. Сигнал биений на разностной частоте (у, — Яг с выхода фотоприемника 6 вьделяется с помощью =елективного частотного фильтра 7 и поступает на вход блока

8 обработки и региетрации, !

Предположим, что первый и второй лазерные пучки пересекаются в объеме V ° Тогда ток i фотоприемника, вызванный смешением волн от разных

45 пучков, рассеянных по частицам и о в объеме V равен по по

i =В,0 А( р=! q=1

Для среднего квадрата тока фотоприемника 6 в этом случае получают —.г г — z

i  и Аг г г о где  — коэффициент пропорциональг ности, учитывающий интенсивность облучения, чувствительность фотоприемника и телесный угол сбора рассеянного света, 55

Представим, что ток фотоприемника

6 < обусловлен фотосмешением волн, рассеянных п, частицами, облучаемыми первым лазер :ь<м пучком в бъеме V<, и п частицами, облучаемыми вторым лазерным пучком в объеме V„, причем г объемы V< и V г «e пересекаются, Величина тока i равна

10 п< пг

i,=B, Аб р=1 q=l где <<<5 — сечение рассеяния для паРЧ ры частиц р и q принадлежащих соответственно объемам V и Ч,;

 — коэффициент пропорциональности, учитывающий интенсивность облучения, чув20 ствител ьност ь фотоприемника и телесный угол сбора света °

Поскольку частицы распределены в потоке хаотично, фазы различных се25 л чений 6 G не коррелируют и не зависят от флуктуаций числа частиц, попадающих в объемы V «и V В этих условиях для среднего квадрата тока фотоприемника 6 можно записать

30 п, пг

2 ;=В (K W 6Gp =В рг12q 1 р 1 Ч 1 где А = Ь(У 1 — для частиц в объеp$

35 мах V< и Чг, Учитывая, что п< и n — независи-. мые случайные величины, поскольку

V < и V g не пересекаются, получают

r-—

i, =В, п<пгА, .

14922 12 ка и о»реле»е»lf р»о е г 11е » I fffllp длЯ частиц в объеме V

Учитывая, что »ри стати:".Г11ески однородном распределении частиц в потоке число частиц и имеет пуассоо новское распределе1111е, имеют и =(й,) +и

Тогда

1 =Вг((по)+пс,)А ° — . т

Отношение i,/i средних квадратов токов в этом случае может быть получено из выражения —.г

1. 2 п1п1 А < В1 L

Выбирая соответствующим обр азом телесные углы сбора рассеянного света из объемов V V и V, можно

2 легко обеспечи ь условие А,В,=А В, Принимая во внимание, что

Illï и VIVE.

7 ()i — n Ч+Ч„ о получают выражение, позволяющее определять концентрацию частиц (f- / I- 1 ) Ч о

V, V,-(i,Л, ) Ч.

Положительный эффект обеспечивается именно в той области концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объеме становятся достаточно велики и другие интегральные методы измерения концентраций не могут эффективно применяться из-за значительных статистических погрешностей.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды, включающий зондирование потока среды с исследуемыми частицами пучком непрерывного лазерного излучения с частотой Г1„ регистрацию рассеянного частицами света фотоприемником, измерение сигнала тока фотоприемниконце»трап»11 ча тllll о т и» ч а

Ю Щ И и С Я ТЕМ, ЧТО, С IIPJI»1<> С»«жения»ижнег 1 11редел» o»poJQIZJlffplff)IJ;

KOHlfPHTPi3IfIfIf Ч;1С 1 IIII> !IO»OJI»»ТCJ!hffo формируют ВтороЙ Г!учое»е11рерьи1»ого лазерного излучения с частотой Гд, удовлетворяющий условию

10 и обладающий взаимной когерентностью с лазерным излучением первого пучка, (1 /12) Чо г (1/ г)Ч среднеквадрат11чное значение тока фотоприемника, вызванного рассеянием света час—.г

Зо тицаМи, находящимися в зоне пересечения первого и второго лазерных пучков; среднеквадратичное значение тока фотоприемника, вызванного рассеянием света частицами, находящимися вне зоны пересечения первого и второго лазерных пучков; счетный объем зоны пересе35

V о чения первого и второго лазерных пучков; счетные объем11, содержащие частицы, рассеивающие соотV H V

45 ветственно излучения первого и второго лазернь1х пучков вне эоны их »ересечения.

50 осуществляют пересечение первого и второго лазерных пучков в потоке среды с исследуемыми частицами, а регистрацию рассеянного света осуществляют путем фотосмещения сигналов рассеяния первого и второго лазерных пучков, выделе1нГя сигналов токов фотоприемника на частоте биений и измерения среднеквадратичных значений этих токов, при этом концентрацию

25 п частиц находят из соотношения

1492242

Составитель Р, Иванов

Редактор О. Юрковецкая Техред Л.Сердюкова Корректор Л. Патай

Заказ 3869/45 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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