УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к оптическим методам контроля дисперсных сред и может быть использовано для определения параметров частиц, движущихся в газовых потоках.

Известно устройство, реализующее способ для измерения размера частиц, включающий в себя оптическое зондирование лазерным лучом, использование различия фаз в рассеянной на частице световой волне при наблюдении под разными углами в зависимости от размеров частиц. Однако блок приемной оптики представляет собой очень сложный механизм с прецизионными юстировками, к тому же необходима переюстировка в зависимости от материала частиц или среды.

Известно устройство, которое делит зондирующий лазерный луч на два, сдвигает частоту одного из них на 40 МГц, осуществляет пересечение в измерительной зоне и принимает рассеянное частицей получение назад в ФЭУ. Недостатком этого устройства является невозможность определить размер частицы.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, а также упрощение устройства.

С этой целью устройство для определения скорости и размеров частиц, включающее блок деления и сдвига частоты луча, оптический расширитель, фокусирующую систему, диафрагму, блок фотоприемника и блок управления и регистрации дополнительно содержит вторую полевую диафрагму, размер которой не более одной трети первой, а центр совпадает с центрами первой диафрагмы и серединой изображения интерференционной картины, фотоприемник. Причем сигнал с первого фотоприемника обрабатывают только в случае наличия сигнала на выходе второго фотоприемника, затем определяется видность, по величине которой судят о размерах частиц. Кроме того с целью упрощения, деление зондирующего луча лазера на два и сдвиг частоты одного из них осуществляется с помощью одного блока-модулятора.

Предложенная схема отличается, кроме того тем, что в двухлучевой схеме применяется сложный блок с ячейкой Брегга для смещения частоты одного луча, разведение лучей происходит еще в двух модулях. В предложенном способе используется простейший модулятор, который осуществляет сразу две функции: делит один падающий на него луч на два и смещает частоту одного из них.

Модулятор изготовлен из склейки двух оптических кристаллов ТеО₂. Работает он следующим образом: при подаче на него U = 2-3 В и частоты f = 30-45 МГц модулятор делит падающий на него луч на два, причем вектор поляризации одного из них повернут относительно падающего на 90^о, для поворота вектора поляризации используется пластина λ /2.

Предложенная система аналогична система LDA она позволяет измерять скорости частиц в дисперсных потоках, но с целью расширения функциональных возможностей данной схемы дополнительно разработан метод, позволяющий измерять размеры частиц. Пересекаясь, лучи образуют движущуюся интерференционную картину с чередующимися полосами максимальной и минимальной освещенности. Движение интеференционной картины пропорционально той частоте, на которой смещается частота одного из лучей. Свет, рассеянный на частице, которая пересекает интерференционную картину, распространяется во все стороны, часть его проходит через ту же оптическую систему и попадает на ФЭУ.

На чертеже изображена оптическая схема устройства.

Оно содержит лазер 1, оптический клин 2, модулятор-расщепитель 3, блок разведения лучей 4, зеркало для обратного рассеяния 5, расширитель 6, апертурную линзу 7, объектив 8, интерференционный фильтр 9, фотоприемник 10, предусилитель 11, смеситель 12, фильтр 13, АЦП 14, ЭВМ 15, диафрагму 16, 17, фотоприемники 10, 18, схему совпадения 19, светоделительный кубик 20, поворотную призму 21.

Устройство работает следующим образом. Луч лазера, проходя через модулятор 3, расщепляется на два расходящихся луча, частота одного из них смещена на 31-32 МГц. Затем блок разведения лучей формирует из расходящихся параллельных лучей. При проходе через расширитель 6 диаметр каждого луча увеличивается вдвое и, проходя через апертурную линзу 7, лучи фокусируются и пересекаются в измерительной зоне. В результате пересечения лучей, частота одного из которых сдвинута, получается бегущая интерфеpенционная картина. Частица, пересекая интерфеpенционную картину, рассеивает падающий на нее свет во все стороны, часть его проходит через ту же оптическую систему в обратном направлении, и с помощью зеркала 5 и объектива 8 попадает на фотоприемник 10.

Для контроля прохождения частицы через середину интерференционной картины рассеянное излучение принимается объективом 8 и фокусируется на точечную диафрагму 16, после диафрагмы 16 стоит светоделительный кубик 20, который часть излучения поворачивает на фотоприемник 10, а другую часть пропускает. За кубиком стоит еще одна точечная диафрагма 17 (причем, ее диаметр в три раза меньше диаметра первой) и за ней фотоприемник 18. Юстировать систему надо так, чтобы ось симметрии проходила через центры диафрагм и центр интерференционной картины. Таким образом, если есть сигнал с фотоприемника 18, то это значит, что частица пересекла измерительный объем близко от центра и следовательно этот сигнал полезный. Сигнал от этой частицы снимается с фотоприемника 10 и обрабатывается.

Полезный сигнал поступает в АЦП, которое запускается при превышении уровнем сигнала заранее заданной величины, таким образом экономится память АЦП. Обработка полезного сигнала состоит в определении максимальных и минимальных амплитуд периодически изменяющегося доплеровского сигнала, расчет исходя из этого видности сигнала.

По видности сигнала расчет размера частицы производится следующим образом:
V = I₁(2 πa/ Δ)/(2 πa/ Δ), где I₁ - функция Бесселя 1-го порядка,
2а - диаметр частицы.

Δ - расстояние между полосами в интерференционной картине.

V - видность сигнала.

Сущность изобретения: устройство содержит второй канал регистрации, включающий дополнительное светоделительное устройство, оптически сопряженное через вторую полевую диафрагму и поворотную призму с фотоприемником, соединенным через схему совпадений с блоком управления и регистрации, при этом размер дополнительной диафрагмы не более одной трети от размера первой диафрагмы. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ, включающее оптически сопряженные блок деления и сдвига частоты луча, оптический расширитель, фокусирующую систему, полевую диафрагму и фотоприемный блок, блок управления и регистрации, отличающееся тем, что дополнительно включено светоделительное устройство, оптически сопряженное через вторую полевую диафрагму, поворотная призма с дополнительным фотоприемником, подключенным через схему совпадения к блоку управления и регистрации, причем выход первого фотоприемника соединен через схему совпадения с блоком управления и регистрации, а размер дополнительной диафрагмы не более одной трети размера первой диафрагмы.