Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К 4ВТОР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическими

Республик (и 857789 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22}Заявлено 18.08.78 (21) 2656208/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (233Л риоритет— (51)M. Кл.

G 01 Н 15/02

Гааударстеенаьй квинтет

СССР аа деии изебретекнй и аткрыткй

Опубликовано 23.08.81 ° Бюллетень ¹ 31

Дата опубликования описания 25.08.81 (53) УДК 539.215. ! .4 (088.8) (72) Автор изобретения

С. И. Коломиец

Институт экспериментальной метеорологии (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ

ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению размеров и концентрации взвешенных частиц, и может быть использовано в метереологии, биологии, химической технологии, контроле saгрязнений окружающей среды, для измерения размеров и концентрации взвешенных частиц микронных размеров.

Известен способ, согласно которому взвешенные частицы поочередно освещают на некоторое время световым пучком каждую, фотоэлектрическим методом регистрируют импульсы рассеянного каждой частицей света и по этим им15 пульсам судят о размерах и концентрации частиц.

Поочередное освещение частиц осуществляют путем сканирования свето20 вых пучков по практически неподвижным частицам (1 ).

Недостаток данного способа заклю : чается в невозможности его применения при анализе быстро двжущихся дисперсных сред, а также в сложности системы сканирования нескольких световых пучков.

Известен способ при осуществлении которого световой пучок неподвижен и через него поочередно проходят частицы, переносимые текущей средой (жид костью или газом), в которой они взве шены. При этом регистрируются только те находящиеся в потоке частицы, которые проходят через рабочий объем (образованный например, пересечением светового пучка с полем зрения приемной фотоэлектрической системы) СО.

Недостатками этого способа являются сложность формирования тонкой аэро зольной струйки, пересекающей световой пучок,и о(пибки в определении размеров частиц вследствие неравномерной освещенности рабочего объема.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ измерения размеров и концентрации

857789 4 взвешенных частиц включающий осве— щение частиц и регистрацию импульсов рассеянного частицами света (3 J.

Однако способ имеет ограничения по чувствительности, точности измерений и нижнему пределу измеряемых размеров частиц.

Чем выше концентрация взвешенных частиц, тем меньший рабочий объем необходимо иметь, это требуется для предотвращения многократных совпадений, т.е. одновременного попадания в рабочий объем нескольких частиц.

Величина рабочего объема может быть уменьшена путем уменьшения поперечного сечения светового пучка и/или поля зрения приемной системы (эа счет их более острой фокусировки в зоне рабочего объема). При более острой фокусировке значительно возрастает чувствительность (при фиксированной мощности осветителя) и увеличивается верхний предел измеряемых концентраций, но вместе с тем возрастает и неоднородность освещенности рабочего объема.

Поскольку рабочий объем намного больше диаметра исследуемых частиц, частицы могут пролетать в различных частях рабочего объема, и если его освещенность неоднородна, от одинаковых по размеру частиц могут получаться различные по величине импульсы, что порождает погрешности при определении размеров и концентрации этих, частиц. о Кроме того, способ имеет довольно высокий нижний предел измеряемых частиц, определяемый молекулярным рассеиванием среды, в которой взвешены с частицы.

Цель изобретения — одновременное повышение чувствительности при фиксированной мощности источника, уменьшение погрешностей, порождаемых неоднородностью освещения рабочего объема и снижение нижнего предела измеряемых размеров частиц.

Указанная цель достигается тем, что освещение частиц производят пучком света, сканируемым в плоскости, перпендикулярной направлению движения частиц, импульсы от рассеянного отдельными частицами света формируют в пачки, выделяют их огибающие, по которым судйт о размерах и концентрации частиц.

Кроме того, световой поток сканируют с постоянной скоростью и при

1этом пачки импульсов составляют толь25

45

55 ко из тех импульсов, временная задержка между которыми равна периоду ска— нирования.

По предлагаемому способу сканирующий пучок света многократно освещает частицу, движущуюся через рабочий объем, в различных точках ее пути и в результате от каждой частицы получа ют не по одному импульсу рассеянного ею света, а по целой серии (последовательности пачке) импульсов, Поскольку частица бывает освещена в различных точках пути различными частями поперечного сечения светового пучка в случае неоднородности интен—

У сивности этого пучка в поперечном сечении, импульсы рассеянного света от одной и той же частицы имеют различную величину. При этом имеется в виду, что частица много меньше, чем рабочий объем, сканирование происходит в одной и той же плоскости, перпендикулярной направлению движения частицы, а амплитуда сканирования обязательно больше размера светового пятна в направлении сканирования в зоне рабочего объема.

Чем вьппе частота сканирования светового пучка, тем больше будет получено импульсов от каждой частицы и тем больше вероятность того, что каждая из частиц попадает хоть один раз в зону светового пучка, где его интенсивность наибольшая. Если из каждой пачки импульсов выбрать по максимальному импульсу (или выделить огибающую пачку )и только по эти у максимальным импульсам (или по огибающим используемым в качестве импульсов) судить о размерах частиц исключаются погрешности от неоднородности светового пучка, освещающего рабочий объем.

Кроме того, повышается чувствительность, поскольку при этой же мощности осветителя площадь светового пятна в предлагаемом способе меньше, чем в известных способах.(при той же величине сечения рабочего объема).

Во всех известных фотоэлектрических приборах нижний предел измеряемых размеров частиц, при хорошей конструкции, определяется молекулярным рассеиванием света в воздухе (или иной среде, в которой взвешены частицы), При этом временная модуляция светового источника приводит к точно такой же модуляции рассеянного излучения. Известен только один путь

55 уменьшения влияния молекулярного рас сеивания — уменьшение рабочего объема, что ведет к увеличению времени измер ения .

В предлагаемом способе свет, рассеянный частицей модулиранан ва вре9 мени (представляет пачку импульсов у в та время как фан-свет, рассеянный воздухом, практически постоянен, поскольку в силу черезвычайной малости характерных размеров рассеивающих объемов и их большого количества при сканировании пучка уровень молекулярного рассеивания не меняется.

Таким образом, применяя соответствующие радиотехнические средства можно повысить отношенье сигнал-шум за счет тога, чта па предлагаемому спосабу сигнал мадулирован во времени, а шум постоянен (во всяком случае, меняется по другому закону). В результате нижний предел измеряемых раз. меров частиц при этом уменьшается.

Далее, если в рабачии объем попадает одновременна дне (или более1частицы, но таким образом, что в световой пучок они одновременно не попадают импульсы ат каждой из них не накладываютс- друг па друга, Фактически при этом получается две или более последовательности импульсов, в каждой из которых время между импульсами равно периоду повторения (при линейном законе сканирования без об" ратного хода). В то же время задержка одной последовательности относительно другой определяется координатами пролета соответствующих частиц.

Известными радиотехническими средствами можно сформировать для этих двух (или более) последовательностей две (или более) пачки, отобрав в каждую только импульсы, полученные от одной частицы. При этом возрастает верхний предел измеряемых концентраций, поскольку при таком способе обработки импульсов погрешность многократных совпадений определяется не сечением рабочего объема(при фиксированном по. т ле зрения), а площадью светового пучка.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа. ,Источником света является лазер

1. На пути светового пучка установлены дефпектар 2 (электрооптический или акустооптнческий}, подключенный к блоку 10 управления, факусирующий объектив 3 и поглатитепь 4. Схема

57789 6 просаса(не показана) обеспечивает движение частиц со скоростью Н перпендикулярно плоскости чертежа. Приемная система состоит из объектива

5, диафрагмы 6 поля зрения, фотоприемника 7, блока 8 обработки импульсов и анализатора 9. Блок 8 обработки одним входом подключен к фотоприемнику 7, вторым входом — к блоку

10 10 управления, а выходом — к анализатору 9.

Рабочий объем формируется пересечением светового пучка и поля зрения приемной системы, определяемого диафрагмой б.

Способ осуществляется следующим образом.

Световой пучок от источника 1 фо20 кусируют объективом 3 в поток исследуемых частиц. При этом фокальную п объектива 3 располагают в середине поля зрения приемной системы, а площадь факельного пятна выбирают

25 заведомо меньше площади требуемого раббочего объема в той же плоскости (при заданном поле зрения, т.е. при заданной величине рабочего объема вдоль оптической оси объектива 3). Величина рабочего объема определяется как и в

30 известных способах.

Далее задают допустимую величину неоднородности освещенности рабочего объема, например 10Х. Исходя из этого определяют по уровню 0,9 размер d фокального пятна, направление движения частиц, а после этого требуемую высоту сканирования 1Л >Яд, Практически, чтобы получить не менее десят-ка импульсов в каждой пачке, лучше

40 ваять > (З+ )У/

Частица со скоростью Н пройдет ! расстояние 6эа время Й Н, т.е. при ! .частоте f 9@Y всякая частица в рабочем объеме обязательно будет пересечена областью луча с освещенностью не ниже 0,9.

Затем измеряют размер О фокального пятна в направлении сканирования (факальное пятно необязательно долж50 но быть круглой формы) и определяют требуемую амплитуду сканирования где S — площадь сечения требуемого рабочего объема

$g площадь фокальнаго пятна;

857789

Уровень| по которому определяются

Бу особой роли не играет и его можно брать таким же, как в известных случаях при определении величи чины сечения рабочего объема, например по уровню 0,1.

30

А 5д

При этом желательно, чтобы — = — >2. д 5

Световой пучок сканируют с постоянной скоростью (аналогично развертке на осциллографах ) в плоскости чертеже с указанными частотой и ам— пли тудой, Частицы пролетают через рабочий объем, и от каждой частицы образуется пачка импульсов (за счет многократного пересечения световым пучком этой частицы). Огибающая этой пачки. соответствует профилю интенсивности фокального пятна в направлении движе20 ния частиц (для одномодового ОКГ этот профиль является гауссовым, т.е. амплитуда пачек от частиц одинакового размера не зависит от места про— лета частицы через рабочий объем.

Фотоприемник преобразует импульсы света в электрические импульсы. Блок обработки отфильтровывает от фона каждый импульс, а затем в полученной пачке выделяет огибающую (или импульс с максимальной амплитудой).

Затеи огибающие пачек подвергают такому же анализу, как и в известных способах импульсы непосредственно с фотоприемника, и таким образом нахо- 35 дят размеры частиц(по амплитуде пачек ) и их концентрацию (по количеству пачек).

Фильтрация импульсов в данном случае возможна только потому,что каж- 40 дой частице соответствует не один импульс, а несколько, например 10.

Такии образом можно либо поставить соответствующий электрический фильтр, либо стробировать последующие кас- 45 кады блока обработки стробами, длительность которых соответствует длительности импульсов а частота понторения равна частоте повторения импульсов (частоте сканирования). При 50 этом соответствующий генератор стробов должен запускаться первым импульсом в каждой пачке.

Измерение размеров и концентрации взвешенных частиц заканчивается выделением огибающих полученных пачек.

Выделенные огибающие подобны импульсам, полученным в известных способах, и их анализируют точно так же.

Если в рабочий объем попадает одновременно несколько частиц (например, две), но не попадающих одновременно в световой пучок, на выходе фотоприемника образуется две "экви дистантные" (вследствие линейности сканирования) последовательности импульсов, смещенных относительно друг друга на некоторую величину, зависящую от взаимного расположения частиц (обе последовательности начинают накладываться, когда проекция расстояния между частицами на плосокость, перпендикулярную оси объектива 3, мень ше соответствующего размера фокаль— ного пятна).

С помощью известных технических решений вполне возможно сформировать пачки таким образом, чтобы в каждую пачку отбирать только свои "эквидистантные импульсы, время задержки меж— ду которыми равно периоду сканирова— ния. В этом случае сколько частиц, столько пачек, следовательно нужны два генератора стробов, каждый из ко— торых запускается сваей пачкой импульсов, т.е. при заданной погрешности за счет многократных совпадений с помощью указанной обработки импульсов можно увеличить верхшиЪ предел измеряемых концентраций.

Далее, поскольку при каждом акте сканирования временное положение импульса от частоты относительно начала сканирования однозначно определяется координатой частицы в направлении сканирования, измеряя это время, можно легко определить траекторию движения частицы (точнее, изменение координаты по направлению сканирования). Это может оказаться полезным для измерения параметров движения воздуха в малых объемах (изучение турбулентной диффузии и т.д.) и позволяет следить за движением частиц микронных и субмикронных размеров, где телевизионные и др. методы не годятся, Кроме того, возможные краевые эффекты (неоднородность освещенности на карях области сканирования)легко устраняются временной селекцией соответствующих зон сканирования (само— го начала и самого конца ) .

Если принять, что в известных случаях сечение рабочего объема составляет доли квадратных миллиметров в данном случае можно получить отношение SA / 5 g 10... 1ОО (практически до<в

9 8577

Ф тижимое разрешение дефлекторов сос тавляет до 200 ... 300 элементов). Соответственно повысятся чуватвитель ность и верхний предел измеряемых коицантраций. Однородность освещения можно сделать достаточно высокой, но глазиое, при этом резко снижается требование к источнику света, поскольку согласно предлагаемому способу можно использЬвать осветитель с любым 1р профилем освещенности. На практике снижение требований к однородности освещенности означает дополнительное повышение этой освещенности, хотя бы в некоторых областях пучка.

Предлагаемый спо об позволяет повысить чувствительность, уменьшитьпогрешности в определении размеров частиц и повысить верхний предел измеряемых без разбавления концентраций. о

Формула изобретения

1. Способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц, включающий освещение частиц и регистрацию импульсов рассеянного частицами света, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и

89 10 чувствительности измерений, освещение частиц производят пучками света, сканируемыми в плоскости, перпендикулярной направлению движения частиц, импульсы от рассеянного отдельньв<и частицами света формируют в пачки, выделяют их огибающие, по которым судят о. размерах и концентрации часТИЦ °

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с цепью расширения диапазона измеряемых концентраций, световой пучок сканируют с постоянной скоростью и при этом пачки импульсОв сОставляют тОлько из тех импульсов, временная задержка между которыми равна периоду сканирования.

Источники информации, принятые во внимание при эксперти зе

l. Авторское свидетельство СССР

У 122340, кл. G 01 N 15/02, 1953.

2. Клименко А П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли.

М., "Химия", 1978, с. 130-131.

3. Патент Франции У 2065190, кл. G 01 И 15/00, 1972.

ВНИИПИ Заказ 8566/89 Тираж 910 Подписное

Филиал ППП "Патент",г.Ужгород,ул.Проектная,4