Устройство для определения размеров дисперсных частиц

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для определения параметров запыленной атмосферы, и может быть использовано для определения дисперсности аэрозолей. Сущность: устройство содержит расположенные на плоскости, перпендикулярной оптической оси, через непрерывно увеличивающиеся расстояния триплеты. Плоскости указанных триплетов из красной, зеленой и синей полос и их изображения связаны с помощью двух объективов с плоскостью анализа изображений, а измеряемый аэрозоль размещен между двумя объективами. Технический результат изобретения заключается в создании портативного устройства для экспрессного определения гранулометрического состава аэрозольных частиц. 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для определения параметров запыленной атмосферы, и может быть использовано для определения дисперсности аэрозолей.

Известно устройство для определения содержания угольных частиц в потоке горения [Кондратьев А.Б., Назаров А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А. Оптическая диагностика конверсии угольных частиц в потоке плазмы продуктов сгорания. // Теплофизика высоких температур. 1994. Т.32. №3. С.452-458]. Устройство содержит источник оптического излучения, собирающий объектив, набор из 8 сменных апертурных диафрагм, фотоприемник, расположенные последовательно по ходу оптического излучения.

Недостатком устройства для определения содержания аэрозольных частиц является необходимость смены апертурных диафрагм, математическая обработка измеряемых сигналов для определения гранулометрического состава аэрозоля. Такое устройство громоздко, а определение гранулометрического состава требует длительного времени.

Известно устройство для определения размеров дисперсных частиц [Боковиков А.Б. Способ идентификации объектов и устройство для его осуществления. Патент RU №2123176. МПК G 01 N 21/25. БИ №34. 1998 г.], содержащее источник коллимированного излучения широкого спектра, светофильтр, спектр пропускания которого имеет функциональную зависимость от координат точки в плоскости поперечного сечения, и плоскость анализа спектрального состава, прошедшего через фильтр, и счетный объем пучка коллимированного излучения. Полоса пропускания светофильтра не уже ширины спектра используемого излучения.

Недостатком устройства является необходимость спектрального анализа прошедшего счетный объем потока излучения. Устройство громоздко.

Известно также устройство для определения размеров частиц в мелкодисперсных прозрачных объектах [Козлов Ю.Г., Соловьев Л.Е., Козлов Н.П., Суслов Г.И. Способ определения размеров частиц в мелкодисперсных прозрачных объектах. Ав. св. №976356. МПК G 01 N 21/85. БИ №43 от 23.11.82], выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит монохроматический источник света, коллиматор, пространственный модулятор пучка коллимированного света, снабженный механизмом перестройки частоты пространственной модуляции, собирающую линзу. В плоскости изображения пространственного модулятора, формируемого линзой, установлен точечный неподвижный фотоприемник. В качестве регистрирующего устройства могут быть использованы, например, самописец либо другое электронное устройство.

Недостатком устройства для определения размеров частиц в мелкодисперсных прозрачных объектах является использование подвижных элементов для перестройки расстояния между параллельными полосами для формирования информативного сигнала фотоприемника, что делает устройство громоздким и требует длительного времени для определения размеров частиц.

Задачей изобретения является создание портативного устройства для экспрессного определения размеров аэрозольных частиц.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения размеров дисперсных частиц содержит источник оптического излучения и расположенные вдоль прямой входную плоскость с расположенными на ней n параллельными светлыми полосами на темном фоне, счетный объем, расположенный между входной плоскостью и объективом, передняя фокальная плоскость которого совмещена с входной плоскостью, а задняя фокальная плоскость - с плоскостью анализа изображений. Согласно изобретению в качестве источника оптического излучения использован источник белого света. Между входной плоскостью и счетным объемом установлен второй объектив, передняя фокальная плоскость которого совмещена с входной плоскостью. Параллельные светлые полосы, расположенные на входной плоскости, сгруппированы в триплеты из трех размещенных вплотную друг к другу полос, выделяющих излучения красного, зеленого и синего цветов. Причем размеры триплетов, расположенных на разных расстояниях друг от друга, не превышают величины, при которой их изображения в плоскости анализа изображений имеют размеры менее расстояния визуального разрешения. При этом хотя бы два триплета расположены на расстоянии, равном их ширине.

Положительный эффект достигается за счет того, что пучки параллельных потоков оптического излучения в спектральных диапазонах красного, зеленого и синего цветов, формируемые с помощью второго объектива, после прохождения облака дисперсных частиц частично рассеиваются. Поэтому изображение каждой из трех пространственных полос триплета в плоскости анализа расплывается. Причем изображения полос, выделяющих излучения красного, зеленого и синего цветов, каждого триплета расплываются в разной мере, из-за чего изображение триплета по краям приобретает радужную окраску. При малых значениях расстояния между триплетами, для частиц заданного размера, расплывание изображений триплетов приводит к наложению изображений двух соседних триплетов. При этом радужная окраска не проявляется за счет взаимной компенсации соотношения цветов в промежутке между смежными триплетами. Минимальное расстояние между триплетами, при котором появляется радужная окраска, зависит от диаметра дисперсной частицы. Радужная окраска между двумя триплетами проявляется при условии превышения половины расстояния между ними над расстоянием до первого дифракционного минимума для рассматриваемых дисперсных частиц.

Для полидисперсного аэрозоля дифракционные картины от частиц разных размеров, рассмотренные выше, накладываются. Поэтому расстояние между триплетами, при котором проявление радужной окраски в изображении n:3 триплетов на темном фоне, соответствует частицам с "критическими" размерами. При этом суммарное эффективное сечение рассеяния частиц размерами меньше "критического" превышает суммарное эффективное сечение рассеяния более крупных дисперсных частиц. Таким образом, по началу появления радужной окраски полидисперсного аэрозоля может быть визуально определен максимум функции f(r²), где r - размер дисперсной частицы.

За счет одновременного использования n:3 триплетов, которые расположены между собой на разных расстояниях, отпадает необходимость в подвижных элементах для перестройки частоты пространственной модуляции и требуется минимальное количество механических узлов и деталей. Устройство позволяет определять размеры дисперсных частиц визуально, например по подписанной возле триплетов шкале. Следовательно, устройство для определения размеров частиц позволяет проводить экспресс-анализ аэрозольных частиц и может быть изготовлено в виде портативного прибора.

На фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства для определения размеров дисперсных частиц.

На фиг.2 приведено схематичное изображение расположения триплетов на входной плоскости.

На фиг.3 приведена градуировочная кривая, полученная для экспериментального образца прибора.

Устройство для определения размеров дисперсных частиц содержит входную плоскость 1 (фиг.1), содержащую параллельные светлые полосы 2, 3, 4 (фиг.2), первый объектив 5, плоскость анализа изображений 6 (фиг.1), совмещенный с плоскостью изображений параллельных светлых полос 2, 3, 4 (фиг.2) второй объектив 7, источник оптического излучения белого света 8 (фиг.1) для подсветки параллельных пространственных полос 2, 3, 4 (фиг.2), счетный объем 9 (фиг.1). Параллельные светлые полосы 2, 3, 4 сгруппированы в триплеты 10 (фиг.2), образуя линейку триплетов. Каждый триплет 10 образован расположенными вплотную друг к другу тремя полосами, выделяющими оптическое излучение преимущественно, например, красного 2, зеленого 3, синего 4 цветов.

В качестве источника оптического излучения 8 для формирования параллельных светлых полос 2, 3, 4 может быть использована лампа накаливания, например типа КГМ. В качестве первого 5 и второго 7 объективов могут быть использованы любые серийные объективы подходящего размера. В плоскости анализа 6 установлено, например, белое диффузно рассеивающее стекло. Параллельные пространственные светлые полосы 2, 3, 4 и темный фон могут быть, например, напечатаны на белую бумагу для оргтехники с помощью цветного лазерного принтера.

При реализации портативного устройства для экспрессного определения гранулометрического состава аэрозоля могут быть использованы два одинаковых объектива световым диаметров 20 мм и фокусным расстоянием 25 мм, установленные, например, в тубус диаметром 30 мм на расстоянии 200 мм друг от друга по их главной оптической оси. В передней фокальной плоскости второго объектива 7 установлена система параллельных пространственных полос, сгруппированных в виде триплетов с тремя непрерывно следующими полосками, выделяющими оптическое излучение красного, зеленого и синего цветов. Указанная линейка триплетов размерами, например, 4×15 мм получена с помощью цветного лазерного принтера на бумаге для ксероксов. Каждая полоса в указанных триплетах имеет ширину 70 мкм. Триплеты расположены группами, например по 2 шт. В каждой группе расстояние между триплетами одинаково. Расстояние между группой триплетов и триплетами в группах увеличивалось от 200 мкм с шагом, например, 50 мкм. В задней фокальной плоскости первого объектива 5 установлено белое диффузно рассеивающее стекло толщиной 1 мм. Диффузно рассеивающее стекло может быть получено, например, путем механической обработки с одной стороны стекла мелкой наждачной бумагой.

В тубусе, например симметрично относительно объективов, проделаны два отверстия, на диаметрально противоположных сторонах трубы, диаметром 20 мм для прокачки аэрозоля. Реперные точки на градуировочной кривой, изображенные светлыми кружками (фиг.3), определены с помощью латексов разных размеров и нескольких линеек триплетов, каждая из которых содержала одну пространственную частоту.

При использовании устройства для определения размеров дисперсных частиц прокачивают поток дисперсных частиц через счетный объем 9, расположенный между первым 5 и вторым 7 объективами. Включают источник оптического излучения 8. Наблюдают визуально изображения триплетов на белом, диффузно рассеивающем стекле, установленном в плоскости анализа 6. Диапазон размеров аэрозольных частиц определяют по расстоянию ΔL между двумя триплетами, имеющими радужную окраску, из градуировочной кривой (фиг.3), которая может быть нанесена непосредственно возле триплетов в виде шкалы со значениями диаметров аэрозольных частиц (фиг.2).

При анализе фракции порошка железа диаметрами 50-63 мкм начало участка радужной окраски находилось в точке полосы, расстояние между светлыми полосками которой составляло 550 мкм. Отсюда следует, что модальное значение эффективных сечений рассеяния дисперсных частиц порошка железа составляет ≈55 мкм.

Формула изобретения

Устройство для определения размеров дисперсных частиц, содержащее источник оптического излучения и расположенные вдоль прямой входную плоскость с расположенными на ней n параллельными светлыми полосами на темном фоне, счетный объем, расположенный между входной плоскостью и объективом, передняя фокальная плоскость которого совмещена с входной плоскостью, а задняя фокальная плоскость - с плоскостью анализа изображений, отличающееся тем, что в качестве источника оптического излучения использован источник белого света, между входной плоскостью и счетным объемом установлен второй объектив, передняя фокальная плоскость которого совмещена с входной плоскостью, а параллельные светлые полосы, расположенные на входной плоскости, сгруппированы в триплеты из трех размещенных вплотную к друг другу полос, выделяющих излучения красного, зеленого и синего цветов, причем размеры триплетов, расположенных на разных расстояниях друг от друга, не превышают величины, при которой их изображения в плоскости анализа изображений имеют размеры менее расстояния визуального разрешения, при этом хотя бы два триплета расположены на расстоянии, равном их ширине.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3