Способ определения примесей в жидких средах

Изобретение относится к способу определения примесей в жидких средах и может быть использовано для контроля чистоты, вязкости и степени прозрачности технических жидкостей. Согласно предлагаемому способу, определение состояния жидкости осуществляется за счет определения характеристик результирующих распределений интенсивностей (спекл-изображений), регистрируемых в результате прохождения вихревого лазерного пучка с винтовой фазовой дислокацией волнового фронта через контролируемые жидкие пробы. Для этого определяют коэффициент корреляции спекл-изображений, зарегистрированных от жидкой пробы в возмущенном состоянии жидкости и в состоянии ее покоя. Технический результат - повышение точности определения примесей в составе рабочих жидкостей.

 

Способ определения примесей в жидких средах относится к области диагностики и контроля качества жидкостей и может найти применение в машиностроении, энергетике, авиации и других областях техники при анализе технических жидкостей на наличие в них различного рода примесей.

Известен способ определения сверхмалых концентраций примесей в растворах и газах, основанный на пропускании лазерного излучения через контролируемую жидкость и при последующем анализе регистрируемых изображений, формирующихся в результате комбинационного рассеяния лазерного излучения, проходящего через измерительную кювету с исследуемым объектом [см., например, Сборник научных трудов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011» С. 59-60.].

Недостатком данного способа является зависимость точности определения примесей от разрешения объектива оптической системы и системы регистрации данных.

Известен способ определения микрочастиц в жидкости методом цифровой голографии, заключающийся в облучении жидкости лазерным излучением, получении изображений слоев исследуемой жидкости и распознавании малых рассеивающих частиц в произвольном сечении объема на основе определения корреляционных функций регистрируемых голограмм в соответствующем слое контролируемой жидкости [Petrov N.V. Correlation characterization of particles in volume based on peak-to-basement ratio. Scientific reports. 2017. Т. 7.]. В данном способе измерительную кювету облучают лазерным излучением и получают изображения объема среды в нескольких слоях. Оценку изображений проводят по результатам корреляционного анализа.

Основным недостатком способа является недостаточная точность определения примесей, обусловленная затенением изображений последовательных слоев друг другом.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ определения примесей в жидких средах [Патент RU 2659192, МПК G01N 21/3577, опубл. 28.06.2018. Бюл. №19], заключающийся в предварительном отборе контролируемой пробы, ее перемешивании, пропускании через нее сформированного спекл-поля, выдерживании на время необходимого до полного оседания примесей в пробе жидкости, и повторной регистрации спекл-изображения, проведении оценки параметров примесей по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии жидкости и в состоянии ее покоя.

Основным недостатком способа является низкая точность определения наличия примесей при размерах частиц в контролируемой жидкости, не превышающих длину волны лазера. Данный недостаток обусловлен тем, что спекл-изображение меняет свою структуру только тогда, когда размер частиц соизмерим с длиной волны лазера.

Технический результат изобретения - повышение точности определения примесей в жидких средах за счет формирования спекл-поля в жидкой среде в результате прохождения вихревого лазерного пучка через контролируемую пробу с частицами примеси существенно меньше длины волны лазера.

Технический результат достигается тем, что производят отбор пробы контролируемой жидкости, перемешивают жидкость, пропускают через пробу контролируемой жидкости лазерное излучение, регистрируют спекл-изображения, выдерживают кюветы с пробой на время, достаточное для полного оседания примесей в жидкости и повторно регистрируют спекл-изображения, оценку параметров примесей осуществляют по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии и в состоянии ее покоя, отличающий тем, что предварительно формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу.

Сущность изобретения заключается в том, что предварительно формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу.

В известном способе спекл-поле в контролируемой жидкости меняет свою структуру за счет интерференции его на частицах примеси в контролируемой жидкости. Это происходит в случае, когда размеры частиц соизмеримы с длиной волны лазерного излучения. Изменение структуры спекл-поля вызывает изменение спекл-изображения, которое фиксируется до оседания примеси (после взбалтывания контролируемой жидкости) и после оседания примеси. Коэффициент корреляции между ними дает информацию о наличии примеси.

Известно, что лазерный вихревой пучок в однородной среде (жидкая среда без примесей) сохраняет свою структуру, а в рассеивающей среде (жидкая среда с примесью) в пучке происходит разупорядочивание части вихревой структуры электромагнитного поля, при увеличении концентрации примесей способное привести к полному разрушению структуры пучка (см., например, Аксенов В.П. Канев Ф.Ю. и др. Регистрация параметров вихревого пучка в турбулентной атмосфере. 4.1. Использование градиентов волнового фронта. С. 177). В работе Петрова Н.В., Павлова П.В., Малова А.Н. / Численное моделирование распространения и отражения оптического вихря методами скалярной теории дифракции. Квантовая электроника, 43, №6 (2013), с. 586 показано, что структура вихревого лазерного пучка начинает нарушаться при отражении от неровностей существенно меньше длины волны лазера. Это приводит к формированию спекл-изображения. Поэтому учитывая, что лазерные пучки с винтовой фазовой дислокацией волнового фронта есть ни что иное, как вихревые лазерные пучки [см., например, Котляр В.В., Ковалев А.А. Вихревые лазерные пучки (Самара: Новая техника, 2012)], согласно изобретению, формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу. При прохождении через жидкость с примесью разрушение такого пучка происходит при наличии в ней примесей с размерами частиц 20 нм (см., например, Петров Н.В., Павлов П.В., Малов А.Н. / Численное моделирование распространения и отражения оптического вихря методами скалярной теории дифракции. Квантовая электроника, 43, №6 (2013), с. 586), что существенно меньше длины волны лазерного излучения.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Формирование лазерного пучка с винтовой дислокацией волнового фронта может быть выполнено с помощью фазовых транспарантов или дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [см., например, Л.А. Казак, А.Л. Толстик. Вестник БГУ. Сер. 1. 2010. №2 с. 3] или с помощью пространственного модулятора света - SLM [см., например, А.А. Зинчик. Применение пространственных модуляторов света для формирования лазерных пучков со спиральным распределением фазы. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, том 15, №5, С. 817-824].

Способ может быть реализован аналогично прототипу с некоторым отличием, заключающемся в предварительном формировании лазерного пучка с винтовой дислокацией волнового фронта. Формирование такого пучка может быть получено, апример, пропусканием лазерного излучения через ДОЭ. Затем пропускают лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта через перемешанную контролируемую пробу. При прохождении такого пучка через пробу, находящиеся в ней частицы примеси приводят к нарушению поперечной структуры пучка, т.е. к образованию спеклов, формировании лазерного пучка с винтовой фазовой дислокацией волнового фронта и пропускании его через жидкую пробу. При прохождении вихревого пучка через возбужденную пробу при наличии примесей в контролируемой пробе нарушается его поперечная структура даже при размерах частиц меньше длины волны лазера, что приводит к образованию спеклов, которые регистрируются аналогично прототипу. После оседания примесей процесс повторяется. Решение о наличии либо отсутствии примесей в жидкой пробе осуществляют путем определения коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном (после перемешивания) состоянии пробы и в состоянии ее покоя (после оседания примесей). В результате в области наблюдения происходит регистрация спекл-изображений.

Способ определения примесей в жидких средах, включающий отбор пробы контролируемой жидкости, перемешивание жидкости, пропускание через пробу контролируемой жидкости лазерного излучения, регистрацию спекл-изображения, выдерживание кюветы с пробой на время, достаточное для полного оседания примесей в жидкости и повторную регистрацию спекл-изображения, проведение оценки параметров примесей по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии и в состоянии ее покоя, отличающийся тем, что предварительно формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу.