СПОСОБ АНАЛИЗА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1996 года по МПК G01N15/02 

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

Известен способ анализа взвешенных частиц [1] включающий освещение потока частиц и регистрацию амплитуд импульсов рассеянного частицами света, по которым и судят о размерах частиц.

Такой способ не дает информацию о форме частиц, поскольку определяется не геометрический, а так называемый сферооптический размер (данной частице ставят в соответствие размер сферы, дающей такую же амплитуду импульса рассеянного света).

Известен способ анализа взвешенных частиц [2] включающий освещение потока частиц плоскими полосами света, разделенными полосами тени различной ширины, и регистрацию количества импульсов рассеянного каждой частицей света, по которым и судят о размерах частиц.

Недостаток этого способа состоит в том, что размер частиц (хотя и геометрический) определяется лишь в одном направлении, перпендикулярном направлению полос, т.е. способ также не дает информацию о форме частиц.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ анализа взвешенных частиц [3] включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрацию изображений частиц, по которым и судят о размерах последних.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь в одной плоскости проекции, что затрудняет оценку формы несферических частиц при их хаотической ориентации в потоке. Кроме того, для ограничения счетного объема вдоль оси светового пучка приходится формировать этот пучок с заданной степенью когерентности и достаточно сложным образом дополнительно обрабатывать изображения, т.е. реализация способа весьма непроста.

Однако задача автоматизированной оценки несферичности частиц является в настоящее время актуальной. Так, например, при некоторых патологиях эритроциты крови человека из эллипсоидов вращения, по форме близких к дискам, трансформируются в сферы, поэтому предлагаемый способ может использоваться для диагностики заболеваний. В санитарии необходимо отличать кишечные палочки (имеющие форму эллипсоидов вращения) в питьевой воде от пузырьков воздуха, имеющих форму сфер, частиц иной формы и т.д.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении информативности данных для оценки формы частиц, а для частиц достаточно простой формы эллипсоидов вращения в возможности определения как обоих характерных размеров частиц, так и их ориентации в пространстве.

Этот результат достигается тем, что освещают поток частиц световым пучком и регистрируют изображения частиц, по которым и судят о размерах последних, причем световой пучок после прохождения потока разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток, при этом развернутый пучок оптически сопрягают с исходным в некоторой области потока и регистрируют изображения частиц и в развернутом пучке.

В этом случае каждая частица фактически освещается двумя перпендикулярными пучками, а ее изображение в каждом из пучком несет информацию о проекции частицы на плоскость, перпендикулярную оси соответствующего пучка, т. е. информативность о форме частиц повышается как минимум вдвое в сравнении с известным способом. Кроме того, в предлагаемом способе расстояние между изображениями каждой частицы зависит от положения последней в области пересечения световых пучков. Поэтому возможно развитие способа. В частности, по п.1 формулы определяют расстояние между изображениями каждой частицы и о размерах частиц судят только по тем изображениям, для которых указанное расстояние меньше заданного, равного глубине резкости указанных изображений. В этом случае появляется дополнительный технический результат, состоящий в значительном упрощении реализации ограничения счетного объема допустимой глубиной резкости. Этот результат имеет самостоятельное значение и не связан с анализом формы частиц.

На фиг.1 представлена общая схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 область пересечения пучков; на фиг.3 показан вид изображений в плоскости регистрации.

Устройство содержит источник 1 света, объектив 2, фокусирующий свет в некоторую область 3 потока частиц (направление потока перпендикулярно плоскости чертежа). На пути светового пучка последовательно расположены объектив 4, зеркала 5, 6 и объектив 7. При этом зеркала 5 и 6 установлены так, что ось светового пучка на выходе объектива 7 перпендикулярна оси пучка на выходе объектива 2. Объективы 4 и 7 установлены так, что передний фокус объектива 4 совпадает с задним фокусом объектива 7 в некоторой точке А (фиг.2). Объектив 8, соосный с объективом 7, оптически сопрягает указанный выше общий фокус А объективов 4 и 7 с некоторой точкой А' (фиг.3) в плоскости регистрации плоскости фотокатода передающей видеокамеры 9, подключенной к персональному компьютеру 10 (параллельно компьютеру может быть подключен телевизор).

Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.

Поток частиц (область 3) освещают световым пучком, формируемым источником 1 и объективом 2. После прохождения потока этот пучок системой объективов 4, 7 и зеркал 5, 6 разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц (область 3). Указанная система разворота пучка строит в области 3 действительное изображение 12 частицы 11 (фиг.2), причем это изображение соответствует проекции частицы на плоскость, перпендикулярную плоскости объективов 2 и 4, поскольку при построении этого изображения частица освещается пучком от объектива 2. Изображение 12 объективом 8 переносится в плоскость регистрации как изображение изображения 14 (фиг. 3). Одновременно объектив 7 строит в этой же плоскости изображение 13 той же частицы 11, однако изображение 13 соответствует проекции частицы на плоскость, перпендикулярную оси объективов 7,8, поскольку при построении этого изображения частица освещается пучком от объектива 7, т.е. видеокамерой 9 регистрируют изображения частицы как в прямом, так и в развернутом пучках.

Если частица находится точно в общем фокусе объективов 4,7, то изображения 13 и 14 наложатся друг на друга. Этого можно избежать, если несколько разнести указанные фокусы в направлении потока частиц (на величину, превосходящую максимальный размер частицы).

Таким образом, в плоскости фотокатода видеокамеры 9 (в плоскости регистрации) формируются два изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на две взаимно перпендикулярные плоскости, что повышает информативность данных для оценки формы частиц.

Существенным достоинством данного способа (имеющим самостоятельный интерес) является зависимость расстояния между изображениями 13 и 14 от положения частицы относительно общего фокуса А объективов 4 и 7. Более конкретно расстояние изображений частицы в плоскости регистрации от изображения А' общего фокуса А объективов 4 и 7 определяет расстояние частицы от осей объективов 4 и 7; расстояние изображения 14 от точки А' определяет расстояние частицы от оси объектива 7, а расстояние изображения 13 от оси объектива 4, т.е. если расстояния изображений от точки А' не превосходят заданной величины (определяемой глубиной резкости объективов 4,7,8), то такие изображения будут достаточно резкими. С точки зрения реализации удобнее измерять расстояние между изображениями 13, 14 (пропорциональное сумме расстояний частицы от указанных осей объективов 4,7). При этом о размерах частицы судят только по тем изображениям, для которых указанное расстояние меньше заданного (соответствующие частицы при этом находятся в пределах допустимой глубины резкости).

Такая схема ограничения счетного объема значительно проще и надежнее, чем в способе [3]
Поскольку имеются два изображения частицы, соответствующие ее проекциям на взаимно перпендикулярные плоскости, то количество информации о форме несферических частиц повышается по сравнению с [3] как минимум вдвое. Определение размеров частиц по их изображениям (анализ изображений) является известной задачей расчетного характера и в общем случае предполагает априорную информацию о типе формы частиц (эллипсоид, параллелепипед, призма и т.д.).

Для эллипсоидов вращения эта задача существенно упрощается, поскольку достаточно определить всего лишь четыре параметра радиус и полувысоту эллипсоида, а также два независимых угла его ориентации в пространстве.

Один из возможных вариантов решения этой задачи состоит в том, что для каждого изображения определяют его минимальный и максимальный размеры и угол наклона изображений к одной из осей координат плоскости регистрации. При этом, очевидно, радиус эллипсоида будет одинаковым для обоих изображений, а из двух углов наклона изображений лишь один является независимым, т.е. имеются четыре независимых параметра изображений, по которым можно определить все четыре независимых параметра эллипсоида.

Пусть эллипсоид имеет полувысоту Н и радиус R, при этом абсолютные минимальный и максимальный размеры одного и другого изображений равны соответственно а₁, b₁ и а₂, b_2, а углы наклона (углы направлений максимального направления с одной из осей координат плоскости регистрации, например горизонтальной, на фиг.3) равны α ₁ и α ₂
Очевидно, радиус эллипсоида равен паре совпадающих размеров. Если Н > R, то R a₁ а₂. Тогда, как показывают расчеты,
H где
A +
При необходимости из измеренных параметров b₁, b₂, R, α₁,α ₂ нетрудно определить углы ориентации эллипсоида в потоке.

Итак, предлагаемый способ при значительно более простой реализации формирования счетного объема позволяет повысить информативность измерений, что необходимо для более однозначной оценки формы несферических частиц.

Следует отметить важность такого параметра изображений, как их максимальный размер в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой лежат оси исходного и развернутого пучков (вертикальное направление на фиг.3). Очевидно, что этот размер (в общем случае отличный от абсолютных размеров b₁, b₂) должен быть одинаков для обоих изображений 13, 14, если частица 11 и ее изображение 12 находятся на одинаковых расстояниях от оси объектива 4 (от плоскости наводки объектива 8), т.е. сравнение указанного размера обоих изображений дает дополнительную информацию о положении частицы в потоке. В частности, для большей точности ограничения счетного объема можно анализировать только те изображения, для которых указанный размер совпадает с заданной погрешностью (и расстояние между которыми не превышает заданного).

Выше предполагалось, что в счетном объеме устройства находится не более одной частицы, т.е. что между изображениями 13 и 14 нет изображений других частиц. Это предположение накладывает ограничения на верхний предел измеряемых концентраций. Однако такого рода ограничение существует во всех известных способах, в частности [1-3] связанных с анализом размеров единичных частиц (а не ансамблей частиц, как, например, в нефелометрических способах).

Использование: в технике измерений, при анализе взвешенных частиц. Сущность изобретения: способ состоит в том, что поток частиц освещают световым пучком и регистрируют изображение частиц, по которым и судят о размерах частиц. Световой пучок после прохождения потока разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток. Развернутый пучок оптически сопрягают с исходным в некоторой области потока, и регистрируют изображения частиц и в развернутом пучке. По полученным изображениям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях судят о размерах частиц. Определяют расстояние между изображениями каждой частицы и о размерах судят только по тем изображениям, для которых это расстояние меньше заданного, равного глубине резкости указанных изображений. Способ повышает информативность данных для оценки формы частиц, а для частиц достаточно простой формы эллипсоида вращения дает возможность определения как обоих характерных размеров частиц, так и их ориентации в пространстве. Кроме того, значительно упрощается реализация ограничения счетного объема допустимой глубиной резкости. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ АНАЛИЗА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрацию изображений частиц, по которым и судят о размерах последних, отличающийся тем, что световой пучок после прохождения потока разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток, при этом развернутый пучок оптически сопрягают с исходным в некоторой области потока и регистрируют изображения частиц также и в развернутом пучке, а затем по полученным изображениям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях судят о размерах частиц. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют расстояние между изображениями каждой частицы и судят о размерах частиц только по тем изображениям, для которых указанное расстояние меньше заданного, равного глубине резкости указанных изображений.