Интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к оптико-интерференционным способам и устройствам для измерения размеров и концентрации полидисперсных аэрозольных сред и может быть использовано в измерительной технике. Полосы света в счетном объеме формируют из зондирующего когерентного излучения непрерывным изменением числа полос, их ширины и расстояний между полосами, регистрацию рассеянного аэрозольными частицами света производят непрерывно и раздельно на каждый момент времени соответствующей полосатой структурой света в счетном объеме, а о размерах и концентрации аэрозольных частиц судят по глубине модуляции сигналов рассеянного излучения, одновременно принятых на каждом элементе приемника оптического излучения на различных полосатых структурах света в счетном объеме, при этом сигнал не зависит от абсолютной величины коэффициента рассеяния. Устройство измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц содержит лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, расположенные под углом к излучению лазера, плоскость наблюдения интерференционной картины, счетный объем, приемник оптического излучения и отличается тем, что в него между зеркалами, расположенными под углом к излучению, введена цилиндрическая линза, снабженная механизмом перемещения. При этом счетный объем располагается в плоскости наблюдения интерференционной картины. Повышается точность и расширяется диапазон размеров измеряемых частиц, уменьшается влияние неоднородностей в определении размера аэрозольных частиц, увеличиваются измеряемые концентрации аэрозольных частиц. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к интерференционным способам и устройствам для измерения размеров и концентрации полидисперсных аэрозольных сред и может быть использовано в измерительной технике.

Известен интерференционный способ определения функции распределения частиц по размерам [1] для экспрессного анализа распределения частиц по размерам, движущихся в жидких и газообразных средах, основанный на освещении взвешенных частиц пучком когерентного излучения, формировании интерференционной картины и измерении ее характеристик и отличающийся тем, что измеряют спектр флюктуации проинтерферировавшего опорного и рассеянного частицами световых потоков и по измеренному спектру определяют функцию распределения частиц по размерам. Недостатки этого интерференционного способа состоят в определенных ограничениях. В интерференционном способе возможно измерение частиц радиусом порядка микрометра, если частицы взвешены в газе, или несколько микрометров, если частицы взвешены в жидкости. Для проведения измерения необходимо создание специальных потоков с подбором плотностей рассеивающих частиц. Кроме того, необходимо высокое согласование фронтов рассеянного и опорного излучений.

Известен интерференционный способ измерения размеров аэрозольных частиц [3] , взятый в качестве прототипа, основанный на освещении частиц цветными полосами света - тени различной ширины. В этом способе, в зависимости от цвета, в выделенном объеме окружающей атмосферы (счетный объем) формируется интерференционная картина в виде цветных полос света - тени различной ширины. При движении аэрозольной частицы через сетку интерференционных полос различной ширины, сформированных в исследуемом объеме, возникает рассеяние света, амплитуда которого зависит от размеров частицы и комплексного показателя преломления ее материала. При попадании рассеянного излучения на фотоприемник амплитуда рассеянного излучения на выходе приемника преобразуется в электрический сигнал синусоидальной формы, частота которого пропорциональна скорости движения частицы, а амплитуда сигнала (импульс рассеяния) пропорциональна амплитуде света, рассеянного от частицы на интерференционной полосе. В этом способе счет числа импульсов рассеяния при пролете частицей каждой освещенной полосы регистрируется на каждой длине волны, и анализируется число совпавших во времени импульсов. Этот способ отличает трудность формирования счетного объема, малое число поддиапазонов измерений и большие размеры измеряемых частиц (не менее 5 мкм), при этом измеряемые концентрации не превышают 10⁴ см^-3. Кроме того, необходимо дискретно менять цвет полос.

Известен оптико-интерференционный измеритель размеров движущихся аэрозольных частиц [2], взятый в качестве прототипа, основанный на регистрации рассеянного света от частицы, пролетевшей периодически неоднородно освещенный счетный объем (рассеянный свет, будучи промодулированным по интенсивности, позволяет судить о размере пролетевшей частицы). Данное устройство содержит исследуемый объем с источником монохроматического света, интерферометр Фабри-Перо, образованный полупрозрачным покрытием плоских поверхностей линз и дистанционного кольца, диафрагму и фотоприемник, подключенный к регистрирующему устройству. Основными недостатками измерителя являются: ограничение дифракцией нижнего предела размеров измеряемых частиц, сравнительно узкий интервал измеряемых размеров (размер частиц приближенно равен периоду сформированной в счетном объеме решетки) и неоднозначность зависимости глубины модуляции сигнала от размера частицы.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и расширение диапазона размеров измеряемых частиц, уменьшение влияния неоднородностей в определении размера аэрозольных частиц, увеличение измеряемых концентраций аэрозольных частиц.

Это достигается тем, что в интерференционном способе измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц, включающем зондирование когерентным светом аэрозольных частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее световое излучение сформировано в виде пространственно разнесенных параллельных световых полос, ориентированных перпендикулярно к направлению движения аэрозольных частиц, регистрацию рассеянного аэрозольными частицами света и анализ полученных сигналов, согласно изобретению полосы света в счетном объеме формируют из зондирующего излучения непрерывным изменением числа полос, их ширины и расстояний между полосами, регистрацию рассеянного аэрозольными частицами света производят непрерывно и раздельно на каждый момент времени соответствующей полосатой структурой света в счетном объеме, в интерференционном устройстве измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц, согласно изобретению, о размерах и концентрации аэрозольных частиц судят по глубине модуляции сигналов рассеянного излучения, одновременно принятых на каждом элементе приемника оптического излучения на различных полосатых структурах света в счетном объеме, при этом сигнал не зависит от абсолютной величины коэффициента рассеяния.

Также поставленная задача осуществляется тем, что устройство измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц содержит лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, расположенные под углом к излучению лазера, плоскость наблюдения интерференционной картины, счетный объем, приемник оптического излучения, согласно изобретению в него между зеркалами, расположенными под углом к излучению лазера, введена цилиндрическая линза, снабженная механизмом перемещения линзы между зеркалами, при этом счетный объем располагается в плоскости наблюдения интерференционной картины.

На существующем уровне техники не обнаружено аналогичных технических решений. Кроме того, предлагаемый способ существенно отличается от известных особенностями измерений - перемещение цилиндрической линзы между зеркалами от ее начального (нулевого) положения внутри зеркал сопровождается изменением числа полос, их ширины и расстояний между полосами интерференционной картины в плоскости наблюдения, в которой располагается счетный объем. Начальное (нулевое) положение цилиндрической линзы соответствует полосе бесконечной ширины в плоскости наблюдения, в этом случае линза располагается на оптической оси между плоскими зеркалами точно на половине длины оптической оси между плоскими зеркалами. Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень", заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, а заявленная в устройстве цилиндрическая линза, введенная между зеркалами и снабженная механизмом перемещения линзы между зеркалами при своем перемещении осуществляет изменение числа полос, их ширины и расстояний между полосами интерференционной картины в плоскости наблюдения, в которой располагается счетный объем. Свет, рассеянный каждой частицей, пролетевшей такой счетный объем перпендикулярно системе полос, направляется на приемник оптического излучения (матричный фотоприемник), при этом глубина модуляции сигнала на выходе каждого элемента приемника оптического излучения (матричного фотоприемника) зависит от соотношения между размером аэрозольной частицы, шагом интерференционной картины и шириной ее полосы и не зависит от абсолютной величины коэффициента рассеяния.

В зависимости от размера частицы и шага интерференционной картины глубина модуляции сигнала будет зависеть от размеров частиц, при этом наименьший размер частицы r_min определяется пороговой чувствительностью приемника рассеянного излучения где F_пор - минимальный поток излучения, регистрируемый приемником; t - время нахождения частицы в счетном объеме; γ - апертура приемной системы.

Сигнал с приемника оптического излучения будет зависеть от размера аэрозольной частицы и их концентрации, числа полос и шага интерференционной картины. Шаг интерференционной картины будет определяться шириной ее полосы. При использовании интерференционной картины с несколькими шагами устраняется неоднозначность отсчетов и одновременно повышается точность измерения. Число градаций N распределения частиц по размерам определяется по формуле N=k·n, где k - число поддиапазонов измерения глубины модуляции, определяемое числом шагов интерференционной картины; n - число полос в интерференционной картине.

Если L - шаг интерференционной картины, то максимальный размер частицы d_max, которую можно зарегистрировать без значительных ошибок, d_max=L/2.

Минимальная длина счетного объема l определится требуемым значением d_max l≥6d_max.

Используя соотношение между величиной счетного объема V и максимальной измеряемой счетной концентрацией N_max для сведения ошибок попадания в счетный объем двух и более частиц одновременно к значению, не превышающему 5%,
N_max·V=0,05,
можно оценить величину N_max, исходя из размера d_max
N_max≈0,05/(6d_max)³.

Интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации могут быть использованы в измерении жидких и газообразных сред, для изучения состава аэрозольных сред в окружающей атмосфере, физико-химических процессов на поверхности и границе раздела различных сред, для анализа структуры среды и изучения закономерностей рассеяния света, для исследования паров.

На чертеже показана схема устройства для реализации предлагаемого интерференционного способа измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, телескопическую систему 2, расщепитель лазерного пучка 3, плоские зеркала 4, 5, цилиндрическую линзу 6 с механизмом перемещения линзы между плоскими зеркалами, плоскость наблюдения 7 интерференционной картины, счетный объем 8, приемник оптического излучения 9.

Устройство работает следующим образом. Излучение когерентного света 1 через телескопическую систему 2 в виде параллельного пучка направляют на расщепитель лазерного пучка 3 и плоские зеркала 4 и 5, от которых когерентные пучки света направляют навстречу друг другу и на цилиндрическую линзу 6 с некоторым фокусным расстоянием, после которой пучки когерентного света направляют на расщепитель лазерного пучка 3 и в плоскость 7 наблюдения интерференционной картины. При сложении этих двух пучков в плоскости наблюдения реализуют интерференционную картину и направляют ее в счетный объем 8. За счетным объемом располагают приемник оптического излучения 9 в виде матричного фотоприемника. Свет, рассеянный от аэрозольной частицы при ее пролете через светлые полосы (шаги) интерференционной картины в счетном объеме, направляют на приемник оптического излучения. При перемещении цилиндрической линзы 6 между плоскими зеркалами изменяют число полос, их ширину и расстояние между полосами интерференционной картины и осуществляют непрерывное сканирование измеряемой частицы полосатым когерентным световым полем.

Источники информации
1. "Интерференционный способ определения функции распределения частиц по размерам", Хайруллина А.Я., Чайковский А.П., Олейник Т.В., а.с. N 568838, G 01 B 9/02, 1977 г.

2. "Измеритель размеров движущихся частиц", Гончаров Н. В., а.с. N 554466, G 01 B 9/02, 1977 г. (прототип).

3. "Способ измерения размеров микрочастиц", Васильев И.И., Горбачев Д.Б. , Ильин Г.И., Польский Ю.Е., а.с. N 1434333, G 01 N 15/14, 1987 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц, включающий световое зондирование аэрозольных частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее световое излучение сформировано в виде пространственно разнесенных параллельных световых полос, ориентированных перпендикулярно к направлению движения аэрозольных частиц, регистрацию рассеянного аэрозольными частицами света и анализ полученных сигналов, отличающийся тем, что полосы света в счетном объеме формируют из зондирующего излучения непрерывным изменением числа полос, их ширины и расстояний между полосами, регистрацию рассеянного аэрозольными частицами света производят непрерывно и раздельно на каждый момент времени соответствующей полосатой структурой света в счетном объеме, а о размерах и концентрации аэрозольных частиц судят по глубине модуляции сигналов рассеянного излучения одновременно принятых на каждом элементе приемника оптического излучения на различных полосатых структурах света в счетном объеме, при этом сигнал не зависит от абсолютной величины коэффициента рассеяния.

2. Устройство измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц, содержащее лазер, расположенные по ходу излучения телескопическую систему, расщепитель лазерного пучка, плоские зеркала, расположенные под углом к излучению лазера, цилиндрическую линзу, плоскость наблюдения интерференционной картины, счетный объем, приемник оптического излучения, отличающееся тем, что в него между зеркалами введена цилиндрическая линза, снабженная механизмом перемещения между зеркалами, при этом счетный объем располагается в плоскости наблюдения интерференционной картины.

РИСУНКИ

Рисунок 1