СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОСТИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2004 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения дисперсности аэрозолей и может быть использовано в химической технологии при контроле загрязнения окружающей среды.

Известен способ определения размеров аэрозольных частиц по методу спектральной прозрачности [Шифрин К.С., Раскин В.Ф. Спектральная прозрачность и обратная задача теории рассеяния./Оптика и спектроскопия. 1961, т. 11, №2, с. 268-271]. В указанном способе формируют коллимированный пучок излучения белого света, этим пучком облучают аэрозольные частицы, определяют спектральный ход коэффициентов пропускания, по которому путем математической обработки получают гранулометрический состав аэрозольных частиц.

Недостатком способа является сложная процедура определения размеров частиц, связанная со спектральным разложением пучка белого света и сложной математической обработкой полученных величин.

Известен также способ определения размеров аэрозольных частиц [Лопатин В.Н., Апонасенко А.Д., Щур Л.А., Филимонов B.C. Оптический способ определения размера частиц в суспензии. Ав.св. №2098794. БИ №34 от 10.12.97, с. 353]. В указанном способе аэрозольные частицы облучают пучком монохроматического излучения, регистрируют величины потоков рассеянного вперед этого излучения, определяют апертурный угол θ фотоприемника, при котором поток монохроматического излучения, рассеянный в конусе с апертурным углом θ , составляет половину всего рассеянного потока излучения. Размеры аэрозольных частиц определяют из математического выражения, приведенного в формуле изобретения.

Недостатком изобретения является сложная процедура определения размера частиц, связанной с проведением нескольких замеров и математической обработкой полученных величин.

Известен способ определения размеров аэрозольных частиц [Козлов Ю.Г., Соловьев Л.Е., Козлов М.П., Суслов Г.И. Способ определения размеров частиц в мелкодисперсных прозрачных объектах. Ав.св. №976356 по МПК G 01 N 21/85, БИ №43 от 23.11.82], выбранный в качестве прототипа. По данному способу формируют коллимированный пучок монохроматического оптического излучения, пространственно модулируют интенсивность в его сечении путем пропускания через экран с набором расположенных равномерно темных и светлых полосок. Пространственно модулированным потоком монохроматического излучения облучают мелкодисперсный объект, изменяют частоту пространственной модуляции пучка монохроматического оптического излучения. Из потока прошедшего через мелкодисперсный объект излучения формируют изображение на входе точечного фотоприемника. Средний размер дисперсных частиц определяют по скорости изменения амплитуды пространственной модуляции интенсивности монохроматического оптического излучения в плоскости изображения при изменении частоты его пространственной модуляции.

Недостатком изобретения является сложная процедура определения размеров аэрозольных частиц.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего определять визуально дисперсность аэрозольных частиц.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения дисперсности аэрозольных частиц пропускают пучок оптического излучения через экран с n параллельными темными и светлыми полосками. Облучают мелкодисперсный объект этим модулированным по интенсивности в его сечении пучком оптического излучения. Формируют изображение экрана из потоков рассеянного и прошедшего через мелкодисперсный объект пространственно модулированного пучка оптического излучения. Согласно изобретению направляют поток оптического излучения белого света на экран, на котором светлые полоски расположены с увеличивающимся расстоянием друг от друга от одного края экрана до другого. Формируют коллимированный пучок из потока модулированного разными пространственными частотами излучения белого света. Дисперсность аэрозольных частиц определяют визуально по положению границы появления радужной картины в изображении экрана с помощью градуировочной кривой или по градуировочной кривой, подписанной между белыми полосками в виде шкалы.

Положительный эффект достигается за счет того, что потоки оптического излучения белого света от каждой белой полоски, сформированные в виде единичных пучков и объединенные в виде модулированного разными пространственными частотами по его сечению пучка, после прохождения облака дисперсных частиц частично рассеиваются (дифрагируют). Поэтому изображения каждой из белых полосок одинаковой толщины на темном фоне в плоскости изображения экрана расплываются. Причем размер расплывчатого изображения одной белой полоски для оптического излучения заданного цвета, определяемой индикатрисой рассеяния, зависит от диаметра дисперсных частиц и длины волны излучения. Поэтому изображения белых полосок в диапазонах оптического излучения красного, зеленого и синего цветов увеличиваются в разной мере, из-за чего изображение белой полоски по краям приобретает радужную окраску. При малых значениях расстояния между двумя соседними параллельными белыми полосками расплывание изображений двух смежных полосок приводит к их перекрыванию. При этом радужная окраска не проявляется за счет взаимной компенсации соотношения цветов в промежутке между смежными изображениями двух белых полосок. Минимальное расстояние между двумя параллельными белыми полосками, при котором появляется радужная окраска зависит от диаметра дисперсной частицы аэрозоля. Радужная окраска проявляется при условии превышения половины расстояния между двумя смежными полосками над расстоянием до первого дифракционного минимума рассеянного излучения для рассматриваемых монодисперсных частиц.

Для полидисперсного аэрозоля дифракционные картины от частиц разных размеров, рассмотренные выше, накладываются. Поэтому расстояние между смежными белыми полосками одинаковой ширины, при котором начинает проявляться радужная окраска в изображении модулированного разными пространственными частотами по сечению пучка оптического излучения соответствует частицам с "критическими" размерами. Причем суммарное эффективное сечение рассеяния частиц размерами меньше "критического" превышает суммарное эффективное сечение рассеяния более крупных дисперсных частиц. Таким образом, по расстоянию между смежными белыми полосками на границе появления радужной окраски в изображении модулированного разными пространственными частотами по его сечению пучка при наблюдении этого пучка через полидисперсный аэрозоль определяют C₁×f(r²) - эффективные сечения рассеяния по градуировочной кривой. Где r - размер дисперсной частицы аэрозоля, постоянный множитель C₁≈2, для частиц, радиус которых превышает длину волны зондирующего излучения. Градуировочная кривая может быть подписана между белыми полосками в виде шкалы. Следовательно, предлагаемый способ позволяет определять визуально дисперсность аэрозольных частиц.

На фиг.1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства для определения размеров дисперсных частиц.

На фиг.2 приведено увеличенное изображение сечения пространственно модулированного по интенсивности пучка белого света.

На фиг.3 приведена градуировочная кривая - зависимость расстояния между соседними белыми полосками, при котором проявляется радужная окраска от диаметра дисперсных частиц монодисперсного аэрозоля.

Устройство для определения дисперсности аэрозольных частиц содержит экран 1 (фиг.1), содержащий n параллельных белых полосок 2 на темном фоне (фиг.2), первый объектив 3, плоскость анализа распределения интенсивностей излучения 4 (фиг.1), совмещенный с плоскостью изображения экрана с n параллельными белыми полосками (фиг.2), второй объектив 5, источник оптического излучения 6, счетный объем 7 (фиг.1). Параллельные белые полоски 2 (фиг.2) одинаковой ширины расположены на экране 1 (фиг.1) с переменным расстоянием друг от друга.

В качестве первого 3 и второго 5 объективов могут быть использованы серийные объективы, например используемые в оптическом микроскопе с увеличением, например до 10 раз. В качестве источника оптического излучения 6 может быть использована лампа накаливания, например типа КГМ. Экран с n параллельными белыми полосками 2 может быть изготовлен, например, на стеклянном носителе в виде светлых полосок на темном фоне с переменным расстоянием между ними по технологии, используемой для изготовления сеток для оптических приборов. На указанном стеклянном экране между параллельными белыми полосками, имеющими расстояние Δ L, может быть нанесена шкала с подписанными значениями диаметров дисперсных частиц монодисперсного аэрозоля, приводящих к появлению радужной окраски в изображении экрана.

При реализации портативного экспрессного устройства для определения дисперсности аэрозольных частиц использовали два одинаковых объектива световым диаметров 20 мм и фокусным расстоянием 25 мм, установленных в тубус диаметром 30 мм на расстоянии 200 мм друг от друга по их главной оптической оси. В передней фокальной плоскости второго объектива 5 установлен экран из n параллельных полосок белого цвета на черном фоне. Указанная система полосок белого цвета размерами, например, 4× 16 мм изготовлена с помощью черно-белого лазерного принтера на белой бумаге. Каждая белая полоска имеет ширину 100 мкм. Белые полоски расположены группами, например, по 3 шт. В каждой группе расстояние между полосками одинаково. Расстояние между группой полосок и полосками в группах увеличивалось от минимального значения 200 мкм с шагом, например, 50 мкм. На экране между белыми полосками могут быть подписаны как истинные расстояния между ними, так и соответствующие им эффективные сечения рассеяния монодисперсных аэрозолей. В задней фокальной плоскости первого объектива 3 (фиг.1) установлено, например белое диффузно рассеивающее стекло толщиной 1 мм. Диффузно рассеивающее стекло может быть получено, например, путем механической обработки с одной стороны оптического стекла мелкой наждачной бумагой. В тубусе, например, симметрично относительно объективов, проделаны два отверстия, на диаметрально противоположных сторонах этого тубуса диаметром 20 мм для прокачки аэрозоля. Реперные точки на градуировочной кривой, изображенные светлыми кружками (фиг.3), определены с помощью латексов разных размеров и нескольких экранов, содержащих параллельные полоски белого цвета на черном фоне. Причем каждый из этих экранов содержал лишь одну пространственную частоту.

При использовании способа определения дисперсности аэрозольных частиц пропускают пучок оптического излучения через экран с n параллельными темными и светлыми полосками, на котором светлые полоски расположены с увеличивающимся расстоянием друг от друга от одного края экрана до другого.

Облучают мелкодисперсный объект этим модулированным по интенсивности в его сечении пучком оптического излучения. Формируют изображение экрана из потоков рассеянного и прошедшего через мелкодисперсный объект пространственно модулированного пучка оптического излучения. Эффективное сечение рассеяния, характеризующее дисперсность аэрозольных частиц, определяют визуально по положению границы появления радужной картины в изображении экрана с помощью градуировочной кривой. Для этого регистрируют расстояние между белыми полосками на границе появления радужной картины в изображении экрана. На градуировочной кривой на горизонтальной оси отмечают измеренное расстояние, от которой проводят вверх линию до пересечения с градуировочной кривой. От градуировочной кривой горизонтально в сторону вертикальной оси проводят линию, на пересечении которой с вертикальной осью определяют эффективное сечение рассеяния полидисперсного аэрозоля. Эффективное сечение рассеяния также может быть определено по градуировочной кривой, подписанной между белыми полосками на экране в виде шкалы (фиг.2).

При анализе фракции порошка железа диаметрами 50-63 мкм начало участка радужной окраски находилось в точке изображения экрана, расстояние между светлыми полосками которого составляло 550 мкм. Отсюда следует, что эффективное сечение рассеяния частиц порошка железа, характеризующая его дисперсность, составляет ≈ 56 мкм.

Использование: в измерительной технике, в способах измерения размеров дисперсных частиц, может быть использовано в химической технологии при контроле загрязнения окружающей среды. Сущность: предложен способ определения дисперсности аэрозольных частиц, в котором формируют пучок коллимированного белого света, модулированного по интенсивности с разными пространственными частотами в разных точках его сечения. Облучают этим пучком аэрозоль. Формируют изображение из потоков рассеянного и прошедшего через мелкодисперсный объект пространственно модулированного пучка оптического излучения. Дисперсность аэрозольных частиц определяют визуально по положению границы появления радужной картины в изображении или по подписанной возле белых полосок шкале, или по градуировочной кривой. Технический результат изобретения заключается в разработке способа, позволяющего определять визуально дисперсность аэрозольных частиц. 3 ил.

Способ определения дисперсности аэрозольных частиц, при котором пропускают пучок оптического излучения через экран с n параллельными темными и светлыми полосками, облучают мелкодисперсный объект этим модулированным по интенсивности в его сечении пучком оптического излучения, формируют изображение экрана из потоков рассеянного и прошедшего через мелкодисперсный объект пространственно модулированного пучка оптического излучения, отличающийся тем, что направляют поток оптического излучения белого света на экран, на котором светлые полоски расположены с увеличивающимся расстоянием друг от друга от одного края экрана до другого, формируют коллимированный пучок из потока модулированного разными пространственными частотами излучения белого света, а дисперсность аэрозольных частиц определяют визуально по положению границы появления радужной картины в изображении экрана или с учетом градуировочной кривой или по градуировочной кривой, подписанной между белыми полосками в виде шкалы.