Устройство для измерения размеров микрочастиц в жидкости

 

Сущность изобретения: местоположение счетного объема, определяемое расстоянием ., между задней главной плоскостью фокусирующего объектива и кюветной с исследуемой жидкостью и расположением диафрагмы относительно КЮЁВТЫ, соответствует минимуму суммы отклонений сигнала от среднего значения при исследовании различных жидкостей. 3 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 N 15/02.4б m — 1

2 ,14 гп2 + 2

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4887806/25 (22) 06. l2 90 (46) 07.04ЗЗ.Бюл,N 13 (71) Львовский государственный университет им.И,Франка (72) А,П.Билый, B.Б,Гетьман, Б;ГИКучер, В.МЛ укьянец, В.Г.Саваневский и А.К.Школьный (56) Беляев С.П, и др. Оптико-электронные методы излучения аэрозолей. M.: Энергоиздат, 1981, с;81-83.

Крылов В,А, l1 др. Автоматизированный счетчик взвешенных частиц в жидкости.—

Измерительная техника, 1985, N. 7, с,55-56, Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля твердых примесей в высокочистых жидких средах, Известны устройства для измерения размеров микрочастиц в жидкости использующие регистрацию вспышек света. рассеянного микрочастицами, пересекающими освеЩенный счетный объем,.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автоматизированный счетчик взвешенных частиц в жидкости. Счетчик состоит из осве. тителя собирающего обьектива кюветы с исс. ледуемой жидкостью,в которой фокусируется излучение осветителя, собирающего объектива, диафрагмы, фотоприемника и блока регистрации. . Диафрагма,. размещенная в плоскости изображения луча, создаваемого собирающим объективом, вырезает в перетяжке сфокусированного луча зону — счетный объем, Свет, рассеянный микрочастицами, пересекающими луч осветителя, направляется со„„5lJ „„1807337 Al (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РА3МЕР0В МИКРОЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ (57) Сущность изобретения: местопог<ожение счетного объема, определяемое расстоянием между задней главной плоскостью фокусирующего объектива и кюветной с исследуемой жидкостью и расположением диафрагмы относительно кюветы, соответствует минимуму суммы отклонений сигнала or среднего значения при исследовании раз-. личных жидкостей, 3 ил. бирающим объективом на фотоприемник и преобразуется в электрический импульс, который поступает на блок регистрации, где проходит дальнейшую обработку. Размер частицы определяется по амплитуде зарегистрированного импульса, В условиях лаборатории один прибор используется для контроля степени очистки С© высокочистых жидкостей различного химиче- () ского состава с отличающимися показателями преломления, что вносит дополнительную (А) погрешность в определение размера зарегист- () рированной микрочастицы. Рассмотрим основные составляющие этой погрешности, Интенсивность оптического излучения рассеянного микрочастицей определяется выражением: ювао

< где а — коэффициент пропорциональности;

d — диаметр микрочастицы;

1807337 (2) п2 п1 р п л= —

А и (3) Х

25 )=1 (6) г — (п2,. — ()

J o(ni)n i

=1 (nr + 2пГ) (5) о=Jo(n) °

Jo — интенсивность падающего излучения;

m — относительный показатель преломления частицы;

А — длина волны зондирующего излуче- 5 ния в исследуемой жидкости.

Поскольку микрочастица находится в жидкости, то справедливы следующие соотношения:

10 гдв п2 — показатель преломления частицы; и — показатель преломления жидкости. где i4 — @пина волны излучеНия в вакууме. 20

Из (1), (2), (3) получаем; г

Jp=Q — -,)оп, (4)

О 4 П2 П2

ilo n + 2п2

Из выражения (4) следует, что измерение показателя преломления жидкости приводит к изменению интенсивности рассеянного света. Так для полистирольных сферических 30 частиц с показателем преломления п=1,58 интенсивность рассеянного света в воде с п=1 33 и серной кислоте с n=1,43 будет отличаться примерна в 2,3 раза.

Вторая составляющая ошибки измере- 35 ния величины рассеянного сигнала возникает по причине изменения самого Jo - интенсивности излучения, воздействующего на частицу, Рассмотрим формирование счетного 40 объема согласно схеме установки,изложенной в прототипе.

Осветитель создает пучок оптического излучения, который фокусируется объекти- вом в кювете с исследуемой жидкостью и "5 создает в счетном объеме определению интенсивность светового потока. Счетный объем определяется создаваемым собирающим . объективом изображением диафрагмы„установленной йеред фотоприемником. При из- 50 менении показателя преломления жидкости в кювете ход лучей изменится (пунктирная линия), что приведет к изменению диаметра пучка излучения в сечении. соответствующем местоположению счетного объема и, соответ- 55 ственно, интенсивности света в счетном объеме. Следовательно, можно записать:

Вид функции Jo(n) определяется параметрами оптической части устройства, Целью предлагаемого изобретения является повышениеточности измерений за счет уменьшения влияния показателей преломления исследуемых частиц и жидкости;

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения размеров микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного излучения, сопряженный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объемом,и блок регистрации, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном объеме выражения: где n,nj- показатели преломления, соответственно 1-й и J-й исследуемых жидкостей; пг — показатель преломления микрочастиц, К вЂ” число исследуемых жидкостей, Jo(nl),Jo(n ) — интенсивность излучения осветителя в счетном объеме при проведении измерений, соответственно, в 1-той и j-той жидкости, Изобретение поясняется фиг,1-3.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства;

Устройство состоит из осветителя 1, фо- кусирующего объектива 2; формирующего перетяжки пучка света осветителя в кювете

3 с исследуемой жидкостью, собирающего объектива 5, установленной сзади него в плоскости изображения зондирующего пучка света диафрагмы 6, фотоприемника 7, преобразующего рассеянный микрочастицами свет в электрические импульсы, блока регистрации 8.

Устройство работает следующим образом.

Микрочастицы взвешенные в исследуемой жидкости, пересекая счетный объем 4, рассеивают свет, который концентрируется собирающим объективом 5 в плоскости диафрагмы 6 и регистрируется фотоприемником 7.

По величине зарегистрированного фотопри- емника сигнала определяется размер микрочастиц блоком регистрации 8.

1807337 которого эта величина наименьшая, будет проводить измерения с минимальными погрешностями. Следовательно, нужно подбирать расположение кюветы с исследуемой

5 жидкостью и размещение счетного объема относительно зондирующего луча таким образом, чтобы достигло минимума выражение: е

10 (12) (9) U=J0(п) ° S(n)ó где

2 2

А n„+2п2 и продифференцировав (9), учитывая (8) 30 .получим условие независимости величины сигнала.от показателя преломления жидкости:

KJ o()п

1 (14) к

S(n) Jo(n)= Jo(n)d $(п), (1 1) 35 которое соответствует выражению (6), Рассмотрим, в качестве примера, рас-.

40 чет геометрических параметров устройства,, макет которого изготовлен на предприятии. В качестве осветителя используется

Не-Ne одномодовый лазер, характеризующийся гауссовым расп ределением интен45 сивности в поперечном сечении пучка.

Более подробно ход световых лучей показан на фиг.2.

Фокусирующий объектив с главными плоскостями Н1 Н2 преобразует исходный пучок в пучок, имеющий конфокальный параметр Ro и перетяжку диаметром в на расстоянии bo от задней главной плоскости . фокусирующего объектива, Если разместить по ходу светового пучка на расстоянии

55 а От задней Главной плоскости фокусирую щего объектива кювету с исследуемой жид-костью, имеющей показатель преломления . и, то ход лучей изменится и перетяжка будет смещена. При этом конфокальный параметр пучка в жидкости, его диаметр в перетяжке.

Величина зарегистрированного фотоп риемником сигнала, при пересечении микрочастицей счетного объема,.пропорциональна интенсивности рассеянного микрочастицей света. Учитывая (4) и (5) можно записать:

< г

dS 4 п2-п2 п г +2п где U — величина зарегистрированного сигнала; у.— коэффициент пропорциональности.

Для идеального устройства величина сигнала не зависит от показателя преломления жидкости, что соответствует условию:

U=const, (8)

Переписав (7) в виде:

S(n) в выражении (11) зависит от показателя преломления исследуемой жидкости.

Величина Jo(n), зависит и от параметров оптической системы устройства. Подбирая соответствующим образом расстояние от фокусирующего объектива до кюветы, а также положение счетного объема,в сфокусированном пучке можно добиться полной или . частичной компенсации изменения сигнала эа счет S(n) изменением интенсивности зондирующего излучения. Точного выполнения условия (11), соответствующего идеальному устройству, можно добиться лишь для узкого интервала показателей преломления жидкостей. Поэтому, для реального устройства, нужно минимизировать разброс измеренных сигналов в известных жидкостях, для контроля которых применяется устройство, Для характеристики качества работы устройства будем пользоваться суммой относительныхх отклонений сигналов от среднего значения при измерениях во всех видах контролируемых жидкостей, Устройство, для где. Π— сигнал от частицы при измерении в

)-тои жидкости;

k — число жидкостей;

Ос — среднее значение сигнала.

Среднее значение сигнала от частицы равно: г

Ос — 7 4 ), ./(П )П! 2 (13) б 1 4 Пг 4 К n + 2пг где nl — показатель преломления i-той исследуемой жидкости.

Учитывая (7) и (13) можно переписать (12) в виде, 1

1807337 8 в и пзложение перетяжки Ь удовлетворяет соотношениям

В=Ron

1 (15) b-а=п(Ьо-а); (1 6) (17) t

Интенсивность излучения в центре гауссова пучка определяется из соотношения: (18) -Я о= — ) Q где е- коэффициент пропорциональности;

И- диаметр пучка.

Диаметр пучка на расстоянии S от перетяхски определяется выражением:

1 + 2$ (19)

В рассматриваемом случае: (20) S=x-Ь

У где Х вЂ” расстояние от задней главной плоскости фокусирующего объектива до счетного обьема, Иэ (1 5)-(20) получаем: п2 (21) Подставив (21) в (7), получаем окончательно: я оо п6 (22) n — n.2 2

1 х пг, +2п2

Зная показатели преломления жидкостей, которые будут исследоваться, или„интервал,в котором они находятся, используя (22), рассчитывается сумма относительных отклонений от среднего значения величины зарегистрированного сигнала для различных значений а и х (расстояния от задней главной плоскости фокусирующего обьектива до кюветы и зоны регистрации). Расстояния, для которых;. зта величина достигает минимума и выбираются в качестве рабочих.

„(п2г п )

Jo,(ni)ni

=1 n2 + 2п а4 R>n2 -+ 4(х.— и Ьо -ь- а(1 — n))2 р@4 R2 n2 + 4(х пЬо + а(„n))2

На фиг.3 приведены рассчитанные на

38М графики зависимости зарегистрированного устройством сигнала от показателя преломления исследуемых жидкостей в ин5 тервале от 1,32 до 1>52 при рассеянии на полистирольйых микросферах(п=1,58) в случае известного расположения счетного объема — кривая 1, и согласно предлагаемому устройству — кривая 2.

10 Для кривой 1 отношение максимального значения сигнала к минимальному равно

550, для кривой 2-1 3, что свидетельствует о значительном повышении точности измерений при применении предлагаемого устрой15 ства.для измерения размеров микрочастиц в жидкостях.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить достоверность контроля содержания твердых

20 примесей в жидких средах, уменьшвя Roгрешность измерения.

Формула изобретения

Устройство для измерения размеров

25 микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий обьектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного

30 излучения, сопряженный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объ- . емом, и блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е-. с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния по35 казателей преломления исследуемых частиц и жидкостей, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном обьеме выражения:

40 где nl, щ — показатели преломления соответ50 ственно i-й и j-й исследуемых жидкостей;

nr показатель преломления микрочастиц;

k — число исследуемых жидкостей;

Jo(ni),J0(ù) — интенсивности излучения

55 осветителя в счетном объеме при проведении измерений, соответственно в 1-й и J-й жидкостях,, I

1807337

Фиа / фи 2 кФ л, ц)аlp, 3

Составитель В, Гетьман

Техред М,Моргентал Корректор А, Козориз

Редактор

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

Заказ 1373 - . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5