СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЧЕТНОГО ОБЪЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ МИКРОННЫХ И СУБМИКРОННЫХ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения скорости дисперсных частиц, и может быть использовано в химической и плазмохимической технологиях.

Известен способ измерения скоростей частиц аэрозоля [авторское свидетельство 1032370 по МПК G 01 N 15/02, БИ 1983. - в.106. - 22], по которому в счетном объеме формируют полосы света и тени, которые ориентируют перпендикулярно направлению движения дисперсных частиц, собирают поток рассеянного оптического излучения и направляют его на фотоприемник, с помощью которого регистрируют мгновенные значения интенсивности потока рассеянного оптического излучения, а размеры дисперсных частиц определяют из анализа электрического сигнала фотоприемника.

Недостатком такого способа формирования счетного объема является ограничение величины наибольшей концентрации дисперсных частиц в газодисперсном потоке, при которых возможно измерение.

Известен также способ определения скоростей дисперсных частиц [Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 304с.], в котором формируют два пучка коллимированных, поляризованных в одной плоскости оптического излучения, сводят их в счетном объеме, получают интерференционную картину. Собирают поток оптического излучения, рассеянного из счетного объема на дисперсных частицах, преобразовывают его в электрическую форму. Информацию о скорости дисперсных частиц получают из анализа спектрального состава электрического сигнала.

Недостатком такого способа формирования счетного объема является также ограничение максимального значения измеряемой концентрации дисперсных частиц в газодисперсном потоке, из-за большой величины счетного объема.

Известен способ измерения линейной скорости [Тетерин Е.П. Патент РФ 2124210 по МПК G 01 P 3/50. Опуб. БИ 36, 1998 г.], выбранный в качестве прототипа, в котором формируют два пучка коллимированных и поляризованных в одной плоскости оптических излучений, направляют их навстречу друг к другу, получают стоячую волну, направления коллимированных оптических пучков ориентируют к направлению газодисперсного потока под углом, отличным от прямого угла, к оси этих пучков оптического излучения, собирают поток рассеянного оптического излучения, который преобразовывают в электрическую форму, а скорость дисперсной частицы определяют из анализа спектрального состава электрического сигнала.

Недостатком такого способа формирования счетного объема является то, что счетный объем содержит несколько пучностей стоячей волны в коллимированном пучке оптического излучения, что ограничивает величину максимальной концентрации дисперсных частиц в газодисперсном потоке, при которых возможны измерения.

Задачей изобретения является разработка способа формирования счетного объема минимально возможных размеров, что позволит проводить измерения скоростей дисперсных частиц даже при высокой их концентрации.

Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования счетного объема для измерения скорости микронных и субмикронных дисперсных частиц, в котором формируют два пучка коллимированных и поляризированных в одной плоскости оптических излучений, направляют их навстречу друг к другу вдоль одной прямой, получают стоячую волну, направления коллимированных оптических пучков ориентируют к направлению газодисперсного потока под углом, отличным от прямого угла. Собирают поток рассеянного оптического излучения, который преобразовывают в электрическую форму, а скорость дисперсной частицы определяют по времени между двумя соседними максимумами электрического сигнала. Согласно изобретению эти два пучка встречных коллимированных оптических излучений фокусируют в общую точку, которую совмещают с одним из узлов стоячей волны, а ось газодисперсного потока совмещают с областью перетяжки пучков оптического излучения.

Положительный эффект достигается тем, что размер фокального пятна ограничивается дифракционной расходимостью, а величина счетного объема определяется произведением площади фокального пятна на длину области перетяжки встречных пучков оптического излучения, так как при отклонении от области перетяжки интенсивности в пучностях стоячей волны уменьшаются. Это позволяет сформировать счетный объем предельно возможной малой величины, для используемой длины волны оптического излучения. При выводе формулы для расчета максимальной концентрации дисперсных частиц N использованы соотношения:
N=1:V_сч.об, (1)

d:F=D_д:l/2,
отсюда

где D_д, см - диаметр фокального пятна сфокусированного излучения;
l, см - длина области перетяжки;
V_сч.об, см³ - величина счетного объема;
F, см - фокусное расстояние фокусирующих объективов;
λ, см - длина волны используемого оптического излучения;
d, см - диаметр пучка коллимированного оптического излучения.

Отсюда, максимальная концентрация дисперсных частиц, при которой в счетном объеме одновременно может находиться лишь одна из них, определяется соотношением:

Для использованной геометрии пучков встречных оптических излучений максимальная концентрация дисперсных частиц в счетном объеме, при которой возможны измерения скоростей отдельных микронных и субмикронных дисперсных частиц, ограничена величиной 4•10¹⁰ см^-3.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа формирования счетного объема. На фиг.2 приведена структура счетного объема и схема взаимодействия пучков оптического излучения с дисперсной частицей. На фиг. 3 приведена осциллограмма электрического сигнала фотоприемника, возникающего при прохождении одной дисперсной частицы через счетный объем.

Устройство для формирования счетного объема содержит источник оптического излучения 1, коллиматор 2, светоделительную пластину 3, поворотные зеркала 4, 5, 6, фокусирующие объективы 7, 8. Светоделительная пластина 3 и поворотные зеркала 4, 5, 6 расположены в углах параллелограмма. В качестве источника оптического излучения 1 может быть использован любой непрерывный лазер. В качестве коллиматора 2 - расположенные последовательно рассеивающий и собирающий объективы, а в качестве фокусирующих объективов 7, 8 - два одинаковых объектива.

При использовании предлагаемого способа формирования счетного объема когерентный пучок источника оптического излучения 1 пропускают через коллиматор 2, формируют коллимированный пучок оптического излучения, разделяют его с помощью светоделительной пластины 3 на два равных по интенсивности пучка 9, 10, сводят их вдоль одной линии во встречных направлениях с помощью поворотных зеркал 4, 5, 6. С помощью фокусирующих объективов 7, 8 встречные пучки оптического излучения фокусируют в общую точку, положение которой совмещают с узлом стоячей волны 11. Поток дисперсных частиц 12 пропускают через область перетяжки встречных пучков оптических излучений 9, 10, под углом, отличным от перпендикуляра, к их осям. С помощью объектива 13 собирают поток рассеянного от дисперсных частиц оптического излучения и проецируют его на диафрагму 14. С помощью фотоприемника 15, располагаемого за диафрагмой 14, преобразовывают поток рассеянного от дисперсных частиц оптического излучения в электрический сигнал и регистрируют зависимость величины электрического сигнала от времени. Скорости отдельных дисперсных частиц, из их потока, определяют по времени между соседними максимумами электрического сигнала.

При реализации способа в схеме использован гелий-неоновый лазер ЛГ-79 с длиной волны λ =0,6328 мкм, из которого формировали коллимированный пучок диаметром d= 20 мм. В качестве фокусирующих объективов 7, 8 использовали объективы Гелиос-44М с фокусными расстояниями F₁=F₂=58 мм. Для сбора рассеянного под углом 45^o к направлениям пучков коллимированного оптического излучения, из счетного объема излучения на частицах латекса диаметром 1 мкм также использовался объектив Гелиос-44М, который строил увеличенное в 5 раз изображение счетного объема на диафрагме диаметром 0,3 мм, за которой располагали фотоприемник, в качестве которого использовали фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) ФЭУ-114. Сигналы ФЭУ регистрировали с помощью запоминающего осциллографа С8-12. При взаимном ориентировании под углом 45^o осей пучков оптического излучения и вектора скорости частицы латекса электрический импульс имел вид гребенки: содержал низкочастотную и высокочастотную составляющие (см. фиг.3). Время между максимумами высокочастотной составляющей t= 0,3 мкс. Для определения скорости дисперсной частицы можно воспользоваться выражением:

где Т, см - период интерференционной картины;
α, град - угол между вектором скорости дисперсной частицы и направлением распространения оптического излучения;
t, с - время между максимумами высокочастотной составляющей электрического сигнала фотоприемника.

Подставляя в выражение (6) следующие значения: t=0,3 мкс, λ =0,6328 мкм, α =45^o, получаем значение скорости частиц латекса ≈1,49 м/с.

Способ может быть использован для измерения скорости дисперсных частиц в химической и плазмохимической технологиях. Технический результат - формирование счетного объема минимально возможных размеров, что позволит измерить скорость частиц при высокой их концентрации. Формируют два пучка коллимированных оптических излучений. Направляют навстречу друг к другу вдоль одной прямой. Получают стоячую волну под углом, отличным от перпендикуляра, к которой пропускают газодисперсный поток. Встречные пучки коллимированных оптических излучений фокусируют в общую точку, которую совмещают с одним из узлов стоячей волны. Скорости дисперсных частиц определяют по времени между максимумами рассеянного оптического излучения. 3 ил.

Способ формирования счетного объема для измерения скорости микронных и субмикронных дисперсных частиц, в котором формируют два пучка коллимированных и поляризованных в одной плоскости оптических излучений, направляют их навстречу друг другу вдоль одной прямой, получают стоячую волну, направления коллимированных оптических пучков ориентируют к направлению газодисперсного потока под углом, отличным от прямого угла, собирают поток рассеянного оптического излучения, который преобразовывают в электрическую форму, а скорость дисперсной частицы определяют по времени между двумя соседними максимумами электрического сигнала, отличающийся тем, что эти два пучка встречных коллимированных оптических излучений фокусируют в общую точку, которую совмещают с одним из узлов стоячей волны, а ось газодисперсного потока совмещают с областью перетяжки пучков оптического излучения.