Устройство для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц



Устройство для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц
Устройство для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц

 


Владельцы патента RU 2507502:

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

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем. Устройство предназначено для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц, и содержит кювету с прозрачной жидкостью, измерительный канал, состоящий из микроскопа и фоторегистратора, и осветительный канал, содержащий два источника света с различными длинами волн. Дополнительно введены ультразвуковой генератор, ультразвуковой излучатель, импульсный блок питания источников света, синхронизатор и калибруемая аппаратура, при этом направления оптических осей измерительного канала и калибруемой аппаратуры пересекаются в освещенной зоне кюветы, один источник света установлен на оптической оси измерительного канала, а второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры, выход ультразвукового генератора подключен ко входу ультразвукового излучателя, а последний помещен в кювету с жидкостью и закреплен в непосредственной близости от освещенной зоны, к выходу импульсного блока питания подключены источники света, вход синхронизатора соединен с выходом ультразвукового генератора, а выходы синхронизатора соединены с управляющими входами регистратора калибруемой аппаратуры, фоторегистратора и импульсного блока питания источников света. При этом кавитационные пузыри в кювете, получаемые в результате действия ультразвукового генератора, выполняют функцию дисперсных частиц для калибровки. Устройство может иметь следующие варианты конструкции: оптическая ось второго источника света совпадает с оптической осью калибруемой аппаратуры; калибруемая аппаратура и второй источник света закреплены с возможностью раздельного перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного канала. Результатом применения изобретения является упрощение калибровки измерительных систем за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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

Для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц, могут использоваться дисперсные системы с известными характеристиками, например образцовая суспензия, размещенная в прозрачной кювете, расположенной в рабочей области калибруемой аппаратуры [1].

При использовании такого устройства имеются ограничения по максимальной массе частиц и длительности измерений, так как с ростом массы частицы возрастает скорость ее осаждения. Устройство не позволяет регулировать средний размер частиц в процессе калибровки. Для этой цели приходится использовать несколько суспензий с различными значениями среднего диаметра.

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

Этот недостаток позволяют устранить устройства, содержащие дополнительный канал измерения среднего диаметра дисперсных частиц [2, 3]. В качестве технического решения, наиболее близкого к предлагаемому, выбрана установка для измерения размеров и концентрации частиц коллоидно-дисперсных систем [4, прототип].

Установка содержит кювету, измерительный канал и осветительный канал, предназначенный для формирования освещенной зоны в кювете, измерительный канал включает в себя микроскоп и регистратор, а оптический канал - два лазера, установленные соосно с противоположных сторон кюветы, при этом световые потоки обоих лазеров направлены встречно, оптические оси измерительного и осветительного каналов взаимно перпендикулярны, а длины волн лазеров отличаются друг от друга не менее, чем на 12-15%. Кювета размещена на подставке, установленной на основании микроскопа с возможностью вертикального перемещения, а оба лазера закреплены неподвижно на скобе, обладающей возможностью возвратно-поступательного и углового перемещения относительно подставки.

При калибровке оптической аппаратуры, измеряющей средний размер дисперсных частиц, описанная установка имеет преимущество, заключающееся в возможности отказа от образцовых суспензий благодаря независимому измерению характеристик исследуемой дисперсной системы с помощью измерительного канала, включающего в себя микроскоп и фоторегистратор.

Один из недостатков установки - отсутствие системы, обеспечивающей синхронность работы измерительного канала и калибруемой аппаратуры и наведение их на общий измерительный объем. Основным недостатком является невозможность регулирования среднего диаметра дисперсных частиц в процессе калибровки. Использование с этой целью образцовых суспензий с различными значениями среднего диаметра частиц сохраняет основной недостаток - трудоемкость и сложность подготовки образцовых дисперсных систем.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение калибровки за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения.

Принцип работы предлагаемого устройства поясняется с помощью схемы 1.

Устройство содержит кювету с прозрачной жидкостью 8, измерительный канал 10 и осветительный канал 4, предназначенный для формирования освещенной зоны 7 в кювете, причем измерительный канал включает в себя микроскоп 11 и фоторегистратор 12, а осветительный канал - два источника света 5 с различными длинами волн, ультразвуковой генератор 3, ультразвуковой излучатель 6, импульсный блок питания 2 источников света, синхронизатор 1 и калибруемую аппаратуру 9, при этом направления оптических осей измерительного канала и калибруемой аппаратуры пересекаются в освещенной зоне кюветы, один источник света установлен на оптической оси измерительного канала, а второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры, выход ультразвукового генератора подключен ко входу ультразвукового излучателя, а последний помещен в кювету с жидкостью и закреплен в непосредственной близости от освещенной зоны, к выходу импульсного блока питания подключены источники света, управляющий вход синхронизатора соединен с выходом ультразвукового генератора, а выходы синхронизатора соединены с управляющими входами регистратора калибруемой аппаратуры, фоторегистратора и импульсного блока питания источников света.

По второму предлагаемому варианту, дополнительно, оптическая ось второго источника света совпадает с оптической осью калибруемой аппаратуры.

По третьему предлагаемому варианту, дополнительно к первому варианту, калибруемая аппаратура и второй источник света закреплены с возможностью раздельного перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного канала.

Устройство работает следующим образом.

Ультразвуковой генератор 3 при помощи ультразвукового излучателя 6, размещенного в калибровочной кювете 8 (прозрачном сосуде с жидкостью, например с водой), создает область кавитации 7, являющуюся дисперсной системой (жидкость -дисперсионная среда, кавитационные пузыри - дисперсные частицы). Импульсный блок питания 2 формирует импульсы тока, под действием которых источники света 5 освещают область кавитации. Синхронизатор 1 обеспечивает постоянный сдвиг фаз между ультразвуковыми колебаниями и импульсами света. Свет, рассеянный областью кавитации, попадает на входы калибруемой аппаратуры 9 и измерительного канала 10. Синхронизатор 1 обеспечивает синхронность освещения, измерения и фоторегистрации.

Область кавитации является дисперсной системой с переменным средним радиусом дисперсных частиц (пузырей), поскольку их диаметр зависит от фазы ультразвуковых колебаний и может регулироваться выбором соответствующей фазы. Эту зависимость иллюстрирует график 1 [5], где Р - давление, создаваемое ультразвуком, R - радиус пузырька.

Сочетание периодических колебаний размеров пузырей под действием ультразвука и синхронного освещения кавитационной области импульсами света создает стробоскопический эффект, обеспечивая, при заданной фазе колебаний, достаточную экспозицию для измерения размеров пузырей калибруемой аппаратурой и измерительным каналом.

Изменение, с помощью синхронизатора, сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями и импульсами света, приводит к изменению среднего размера освещаемых пузырей и обеспечивает необходимое количество калибровочных уровней.

Например, для получения пузырей со средним радиусом 150 мкм (график 1) при интенсивности ультразвука 15 Вт/см необходимы длительность импульса около 5 мкс и запаздывание импульсов света на At=10 мкс относительно начала координат, то есть относительно момента, когда давление ультразвука максимально.

Источники света имеют различные длины волн для исключения влияния измерительного канала на калибруемую аппаратуру.

Второй и третий варианты конкретизируют пункт первого варианта: «второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры», для случаев, когда калибруемая аппаратура использует методы спектральной прозрачности или полной индикатрисы рассеяния соответственно.

Таким образом, устройство, описанное в предлагаемом техническом решении, способно решить поставленную задачу: упрощение калибровки за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения.

Отдельные блоки устройства представлены в составе:

- генератор ультразвука - УЗТА-0,4Т22-0;

- излучатель ультразвука - полуволновая колебательная система с грибовидным наконечником (разработка «ЛАПА» - лаборатории акустических процессов и аппаратов);

- синхронизатор - доработанный генератор Г5-54 с блоком регулируемой задержки собственной разработки;

- микроскоп - МР-900 (2136) с видеокамерой - ВидеоСпринт /C/G4;

- светодиоды типа: L53SRD-H - красные, L53SGC-H - зеленые, L53SBC-E - синие;

- фоторегистратор - CANON EOS 350D.

Созданная в лаборатории кафедры физики Бийского технологического института АлтГТУ установка, реализующая предлагаемое техническое решение, прошла лабораторные и технические испытания и используется при выполнении госбюджетных НИР кафедрами физики, информатики и вычислительной математики для отработки оптического стенда, измеряющего размер кавитационных пузырей методами спектральной прозрачности и полной индикатрисы рассеяния.

Источники информации

1. Способ калибровки фотоэлектрических устройств для подсчета и измерения размеров частиц дисперсных систем [Текст]: пат. РФ 1080071, МПК G01N 15/02. / Карабегов М.А., Ованесян А.Г., Месропян Э.А., Метревели Г.Т., Карпеев А.А. - №2896358/18-25; заявл. 19.03.80; опубл. 15.03.84, Бюл. №10.

2. Устройство для определения скорости и размеров частиц [Текст]: пат. РФ 2023254, МПК G01N 15/02. / Шиндин С.А., Иванов В.В., Махов И.Л. - №4948660/25; заявл. 24.06.91; опубл. 15.11.94.

3. Анализатор аэрозолей [Текст]: пат. РФ 1701012, МПК G01N 15/02. / Яшин В.А., Кулькин С.Н. - №4754647/25; заявл. 01.11.89; опубл. 20.11.95.

4. Установка для измерения размеров и концентрации частиц коллоидно-дисперсных систем [Текст]: пат. РФ 63066, МПК G01N 15/02. / Положишникова М.А., Артамонова Л.С., Берлова Н.В., Кузичкина Т.И., Макаров-Землянский Я.Я., Миронова Т.Ф., Петров А.О., Поляков П.А., Сапожникова А.И.; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российская экономическая академия им. Г.В. Плеханова» - №2007102599/22; заявл. 24.01.07; опубл. 10.05.07 (прототип).

5. Голых, Р.Н. Моделирование процесса формирования кавитационной области в высоковязких и высокодисперсных жидких средах [Текст] / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелев, С.С.Хмелев // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: межвузовский сборник - Вып.1. - Бийск: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2011. - С.22-26.

1. Устройство для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц, содержащее кювету с прозрачной жидкостью, измерительный канал, состоящий из микроскопа и фоторегистратора, и осветительный канал, содержащий два источника света с различными длинами волн, отличающееся тем, что дополнительно введены ультразвуковой генератор, ультразвуковой излучатель, импульсный блок питания источников света, синхронизатор и калибруемая аппаратура, при этом направления оптических осей измерительного канала и калибруемой аппаратуры пересекаются в освещенной зоне кюветы, один источник света установлен на оптической оси измерительного канала, а второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры, выход ультразвукового генератора подключен ко входу ультразвукового излучателя, а последний помещен в кювету с жидкостью и закреплен в непосредственной близости от освещенной зоны, к выходу импульсного блока питания подключены источники света, вход синхронизатора соединен с выходом ультразвукового генератора, а выходы синхронизатора соединены с управляющими входами регистратора калибруемой аппаратуры, фоторегистратора и импульсного блока питания источников света.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая ось второго источника света совпадает с оптической осью калибруемой аппаратуры.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что калибруемая аппаратура и второй источник света закреплены с возможностью раздельного перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного канала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в выделении в преобразователе каналов измерения основной и дополнительной (влияющей) входных величин, градуировке каналов измерительного преобразователя при различных комбинациях значений его входных величин, формировании по результатам градуировки математической модели измерительного преобразователя в виде совокупности ее параметров, связывающей значения выходных величин со значениями входных величин, и определении значения основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин, причем при проведении градуировочного эксперимента стабилизируют основную входную величину в нескольких точках диапазона преобразования, в каждой точке стабилизации основной входной величины осуществляют ступенчатое изменение влияющей входной величины в пределах диапазона ее изменения с различными начальными значениями и различными по знаку и но амплитуде приращениями, фиксируют поведение во времени значений входных и выходных величин измерительных каналов основной и влияющей входных величин, организуют дополнительный виртуальный канал определения скорости изменения значений выходной величины канала измерения влияющей величины, после чего формируют математическую модель, связывающую выходные значения основного, дополнительного и виртуального каналов с входными величинами преобразователя, и, наконец, определяют текущее значение основной входной величины по параметрам математической модели и текущим значениям выходных величин основного, дополнительного и виртуального измерительных каналов.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для автоматизации поверки стрелочных измерительных приборов. Техническим результатом устройства является сокращение времени поверки стрелочных измерительных приборов.

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.

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 контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам контроля параметров дисперсных сред, и может найти применение при контроле запыленности газов и загрязнения жидкостей.

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

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.

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.

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 контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим устройствам контроля параметров дисперсных сред, и может найти применение при контроле запыленности газов и загрязнения жидкостей. Сущность изобретения: поток частиц освещают световым пучком и регистрируют параметры световых сигналов (амплитудно-временной анализ и анализ длительности или глубины модуляции), формируемых частицами при их пролете через выделенную область потока частиц. Поток фотоэлектрических импульсов подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем селектор импульсов обеспечивает прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, благодаря чему удается дополнительно подавить 20% импульсов темнового тока, устройство коррекции многократных совпадений подвергает фотоэлектрические импульсы принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем. Введены два цифро-аналоговых преобразователя: один для управления воздуходувкой и длительностью импульсов принудительного прерывания, другой для изменения амплитуды излучения осветителя и регулировки верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер, выполняющий функции амплитудного анализа, счета поступающих импульсов и управления цифроаналоговыми преобразователями. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации и размеров частиц за счет первичной амплитудной дискриминации; временной селекции; устранения погрешностей, вызванных попаданием в счетный объем одновременно несколько частиц, и упростить дальнейший процесс амплитудного анализа с помощью персонального компьютера. 9 ил.
Наверх