Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц



Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц
Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц
Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц

 


Владельцы патента RU 2500998:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)

Использование: для калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц. Сущность: заключается в том, что проводят измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, при этом воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему, освещают ее периодическими импульсами света длительностью Ти≤0,1Туз (где Туз - период ультразвуковых колебаний), синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой и определяют по результатам фоторегистрации средний диаметр дисперсных частиц (dср.а и dср.ф соответственно), изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют калибровочную характеристику как зависимость величины dср.а от dср.ф. Технический результат: упрощение калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем, и может быть использовано для калибровки фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры частиц, взвешенных в различных дисперсионных средах.

Широко известен способ калибровки измерительных систем путем попеременного ввода в измерительный канал измеряемых и фиксированных эталонных сигналов, автоматического определения в интервалах между эталонными сигналами реальной рабочей преобразовательной характеристики системы по значениям эталонных сигналов путем интерполяции значений измеряемого сигнала в соответствии с опорными эталонными значениями, и дополнительного учета дестабилизирующих факторов [1].

В частности, применительно к фотоэлектрическим устройствам, определяющим размеры и концентрацию дисперсных частиц, известны способы калибровки по известной кривой распределения частиц по размерам в образцовой суспензии [2, 3]. Для этого подготавливают образцовую суспензию с заданной весовой концентрацией частиц [2], или суспензию, содержащую монодисперсные латексные или стеклянные сферические частицы [3]. Затем, используя подготовленные суспензии, проводят измерения калибруемым прибором и вносят необходимые коррективы в его характеристики.

Основной недостаток описанных способов калибровки - трудоемкость и сложность подготовки образцовой суспензии (изготовление микрочастиц, контроль и обеспечение заданных размеров этих частиц, отбор представительной пробы).

Известен, также, способ калибровки фотоэлектрических устройств для измерения размеров дисперсных частиц [3], заключающийся в размещении в зоне регистрации фотоэлектрического устройства частицы заданного размера и приведении ее в возвратно-поступательное движение с заданной частотой, с формированием при этом световых импульсов одинаковой амплитуды и подстройкой чувствительности фотоэлектрического устройства до уровня, при котором количество световых импульсов совпадает с числом пересечений частицей зоны регистрации.

Согласно этому способу в зоне регистрации одновременно не должно находиться более одной частицы, что не подходит для калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики аэрозолей, при которых в зоне регистрации одновременно находится множество частиц (например, метод спектральной прозрачности, метод малоуглового рассеяния). Кроме того, калибровка осуществляется по эталонным частицам, что не снимает проблемы изготовления микрочастиц с заданными размерами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки [4, прототип], при котором измерения выполняются параллельно: калибруемым измерительным устройством и независимым прибором, имеющим точность, достаточную для данной задачи. Например, способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры. В соответствии с этим способом измерения плотности рыбного косяка выполняются одновременно гидроакустической измерительной системой и телевизионной станцией, с последующим определением зависимости гидроакустических характеристик от плотности косяка, определенной визуально.

При калибровке фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры дисперсных частиц, описанный способ имеет преимущество, заключающееся в возможности отказа от образцовых суспензий, благодаря независимому измерению характеристик исследуемой дисперсной системы. Недостатком способа является сложность регулирования характеристик дисперсной системы в процессе калибровки.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое техническое решение,. является упрощение калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.

Поставленная цель достигается тем что, в известном способе калибровки путем одновременного измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором, с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему с изменяющимися размерами частиц, освещают созданную дисперсную систему периодическими импульсами света, имеющими период, равный периоду ультразвуковых колебаний Туз, и длительность Ти≤0,1Туз,, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой энергию оптических импульсов, поступающих от дисперсной системы, и фотографируют дисперсную систему, определяют средний диаметр дисперсных частиц (dср.a) - по результатам измерений, и (dср.ф) - по результатам фоторегистрации, изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют преобразовательную характеристику калибруемой аппаратуры как зависимость величины dср.a от dср.ф.

По второму варианту дополнительно при калибровке регистрируют распределение энергии оптического импульса по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений dср.ф, используют это распределение в качестве калибровочного уровня, а калибровочную характеристику оформляют в виде базы данных, устанавливающей соответствие полученных распределений энергии заданным значениям dср.ф.

Проанализируем значимость перечисленных операций с точки зрения достижения поставленной цели.

Воздействие ультразвуком на жидкость обеспечивает создание дисперсной системы с регулируемым средним радиусом дисперсных частиц (пузырей), поскольку их диаметр зависит от фазы ультразвуковых колебаний и может регулироваться выбором соответствующей фазы. Эту зависимость иллюстрирует график, приведенный на рисунке 1 [5], где Р - давление, создаваемое ультразвуком, R - радиус пузырька.

Освещение созданной дисперсной системы короткими периодическими импульсами света, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, обеспечивает выбор требуемого радиуса пузыря. Рассмотрим рисунок 2 [6]. Для получения пузырьков со средним радиусом 150 мкм при интенсивности ультразвука 15 Вт/см2 необходимы длительность импульса около 5 мкс и запаздывание импульсов света на Δt=10 мкс относительно начала координат, то есть относительно момента, когда давление ультразвука равно нулю.

Таким образом, воздействие ультразвуком на жидкость и освещение дисперсной системы периодическими импульсами света, синхронизованными с УЗ колебаниями, обеспечивает возможность выполнения калибровки без эталонных порошков или суспензий, заменяя их дисперсной системой с регулируемым средним размером частиц.

Требование к длительности светового импульса: Ти≤0,1Туз, где Туз - период ультразвуковых колебаний, обеспечивает снижение неопределенности выбираемого для калибровки размера пузырьков (Rmax-Rmin) до приемлемой величины.

Изменение сдвига фаз Δt (Рисунок 2) между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощности ультразвука, обеспечивает изменение среднего диаметра пузырей и получение количества калибровочных уровней, необходимого для достижения требуемой точности калибровки.

По второму варианту регистрация распределения энергии оптических импульсов по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений dср.ф, использование полученных распределений в качестве калибровочных уровней и оформление калибровочной характеристики в виде базы данных расширяют область применения предполагаемого технического решения на приборы, использующие распределение энергии по длинам волн Е(λ) (применяется в методе спектральной прозрачности) или по углам рассеяния Е(φ) (применяется в методах подлой индикатрисы и малоуглового рассеяния).

Осуществление способа иллюстрирует рисунок 3. Здесь пунктирные фигуры и линии соответствуют дополнительным операциям второго варианта.

Калибровочную кювету 1 (прозрачный сосуд с жидкостью, например, с водой) размещают в области регистрации калибруемой аппаратуры. В кювете при помощи ультразвукового излучателя 2 создают область кавитации 3.

Область кавитации освещают импульсным источником света 4, синхронизованным с ультразвуковым генератором 5.

Свет, рассеянный областью кавитации, подают на фотоприемники калибруемой аппаратуры 6 и независимого фоторегистратора 7.

Сочетанием периодических колебаний размеров пузырей под действием ультразвука и синхронного освещения кавитационной области создают стробоскопический эффект, обеспечивая достаточную экспозицию для измерения размеров пузырей калибруемым прибором и фоторегистратором при заданной фазе колебаний размеров пузырей.

Регулируя сдвиг фаз между ультразвуковыми колебаниями и моментами срабатывания импульсного источника света, обеспечивают изменение размеров измеряемых пузырей. Затем измерения и фоторегистрацию повторяют, получая требуемое количество калибровочных уровней.

В способе по второму варианту регистрируют распределения энергии оптических импульсов по длинам волн Е(λ) для заданных значений dср.ф, полученные распределения используют в качестве калибровочных уровней, а калибровочную характеристику (зависимость Е(λ) от dср.ф) оформляют в виде базы данных.

Таким образом.. действия, перечисленные в описании предполагаемого технического решения, необходимы и достаточны для решения поставленной задачи: упрощения калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.

Предполагаемое техническое решение используется в БТИ АлтГТУ при выполнении госбюджетных НИР кафедрами Физики, Информатики и вычислительной математики для отработки оптической установки, измеряющей размер кавитационных пузырей методом спектральной прозрачности и может применяться при отработке промышленных технологий создания дисперсных систем (путем распыления жидкостей), технологий ультразвуковой обработки материалов и изделий, а также при экспериментальных исследованиях переноса излучения в дисперсных системах.

Список литературы, цитируемой при составлении заявки

1. Пат. 2262713 Российская Федерация, МПК G01R 35/00. Способ калибровки измерительных систем / Чекушкин В.В., Булкин В.В.

2. West O.C. Standarts for calibration of automatic particle counteurs / - Hydraulics and Pneumatics, July, 1975.

3. Кирш А.А., Двухименный В.А. Усовершенствование и градуировка струйного фотоэлектрического счетчика аэрозолей импа A3. - Коллоидный журнал, 1975, №4.

4. Пат. 2006200 Российская Федерация, МПК А01К 79/00. Способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры и устройство для его осуществления; заявитель Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича - №2006200/С1; заявл. 23.04.1991; опубл. 30.01.1994 (прототип).

5. Brenner M.P., Hilgenfeldt S. and Lohse D. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. - 2002. - V.74. - P.425-483.

6. Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. Межвузовский сборник. Вып.1 ISSN 2223 2656; Бийск. Изд-во АлтГТУ им И.И. Ползунова. 2011. - С.22-26.

1. Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры для оценки среднего диаметра дисперсных частиц путем одновременного измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, отличающийся тем, что воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему, освещают ее периодическими импульсами света длительностью Ти≤0,1Туз (где Туз - период ультразвуковых колебаний), синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой и определяют по результатам фоторегистрации средний диаметр дисперсных частиц (dср.а и dср.ф соответственно), изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют калибровочную характеристику как зависимость величины dср.а от dср.ф.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют распределения энергии оптических импульсов по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений dср.ф, используют полученные распределения в качестве калибровочных уровней, а калибровочную характеристику оформляют в виде базы данных.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фазовых погрешностей масштабных преобразователей, предназначенных для работы в широком частотном и динамическом диапазонах входных сигналов.

Изобретение относится к области магнитных измерений, в частности к измерениям компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ), а также к средствам калибровки магнитометров.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматической коррекции погрешностей измерительных устройств. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения неэлектрических величин при помощи тензометрических мостовых датчиков с инструментальными усилителями, запитанных постоянным током.

Изобретение относится к устройствам для испытания и калибровки приборов, в частности электромагнитных реле с контактами, поочередно размыкающимися и замыкающимися при последовательных включениях и отключениях электромагнита.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для линеаризации градуировочных характеристик измерительных преобразователей, у которых градуировочная характеристика аппроксимируется полиномом второго порядка.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при оперативном контроле технического состояния электрических оребренных машин. .

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения коэффициентов преобразования составных емкостных делителей напряжения. .

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования при поверочных и эталонных измерениях в широком диапазоне измеряемых напряжений и частот.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в системах поверки измерительных устройств. .

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла.

Изобретение относится к устройству для разделения сыпучих материалов по размерам частиц в пределах гранулометрического состава и может быть использовано в сельском хозяйстве, а также в химической, строительной, металлургической и других областях промышленности.

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в электронной промышленности, медицине, биологии, экологии, химической промышленности, порошковой металлургии и других областях пауки и техники, связанных с анализом взвешенных частиц.

Изобретение относится к ультразвуковому неразрушающему способу определения гранулометрических характеристик дисперсных материалов и может быть использовано во многих отраслях промышленности: пищевой, фармацевтической, косметической, химической, строительстве (при определении качества строительных материалов), для контроля взрывчатых веществ, т.е.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области контроля за эксплуатацией технологического или иного оборудования, установленных в помещениях с притоком воздуха, например на АЭС, и направлено на повышение надежности и информативности измерений, что обеспечивается за счет того, что устройство для детектирования течей пароводяной смеси из трубопровода, установленного в помещении, снабженного притоком воздуха, включает датчик, регистрирующий значение относительной влажности в контролируемом помещении, соединенный с устройством обработки информации, при этом устройство дополнительно содержит лазерный датчик аэрозолей субмикронного размера, регистрирующий счетную концентрацию и размеры частиц аэрозолей, снабженный пробоотборной трубкой, входной конец которой установлен в точке выхода воздуха из контролируемого помещения, выход лазерного датчика аэрозолей соединен со входом устройства обработки информации, причем устройство обработки информации дополнительно содержит блок сравнения величины текущего сигнала лазерного датчика аэрозолей с базой данных и блок вычисления корреляций между значениями относительной влажности, счетной концентрации и размерами частиц аэрозолей в воздухе контролируемого помещения, также соединенный с блоком сигнализации.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения и предназначено для измерения распределения по размерам частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, а именно для оперативного технологического контроля размеров различных нанопорошков при их производстве, в частности в химической и пищевой промышленности, в фармакологии, биологии и медицине.

Изобретение относится к способу контроля крупности частиц аналитической пробы. .

Заявляемый способ может найти применение при создании и производстве наноструктурированных пленок из пленкообразующих золей для газочувствительных сенсоров. Способ заключается в том, что изготавливают эталонные образцы с заданной начальной концентрацией наночастиц. Записывают инфракрасные спектры эталонных образцов, идентифицируют характеристические пики поглощения. Записывают инфракрасные спектры эталонных образцов во время процесса коагуляции, строят экспериментальную зависимость коэффициента пропускания инфракрасного излучения от времени коагуляции. Записывают инфракрасные спектры исследуемых образцов и определяют концентрации С и размер наночастиц d по соотношениям C ( T ) = C 0 1 + C 0 τ ( T ) K , d ( T ) = α χ ln ( 1 + K ⋅ C 0 ⋅ τ ( T ) ) ln ( ξ ) , C 0 = ρ к V к N A M к V з о л я , K = 4 k T 3 η ψ , где C0 - начальная концентрация наночастиц в золе; K - константа коагуляции, определяемая составом золя; ρк - плотность компонента золя, образующего наночастицы; Vк - объем компонента золя, образующего наночастицы; NA - число Авогадро; Мк - молярная масса компонента золя, образующего наночастицы; Vзоля - объем золя; k - постоянная Больцмана; T=29S K - температура; η - динамическая вязкость раствора; ψ=10-9 - параметр, характеризующий эффективную вероятность соударения наночастиц друг с другом; α - размер молекулы, образующей наночастицу; χ=3 - коэффициент роста диаметра наночастицы в процессе коагуляции; ξ=13 - константа, связанная с фрактальностью наночастицы; τ(Т) - аппроксимация экспериментальной зависимости коэффициента пропускания ИК-излучения через золь от времени. Техническим результатом является создание способа определения концентрации и среднего размера наночастиц в золе, претерпевающем коагуляцию с помощью ИК-спектроскопии. 14 ил.
Наверх