Оптико-электронное устройство контроля взвешенных частиц Российский патент 2017 года по МПК G01N15/02 

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

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.с. SU 1278628, G01N 15/02, от 23.12.1986), включающий освещение потока частиц и регистрацию амплитуд импульсов рассеянного частицами света, по которым и судят о размерах частиц.

Недостаток данного способа состоит в том, что он не предоставляет 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 подсчета размера частиц (Пат. ЕР 1008843, G01N 15/02 от 14.06.2000), включающий стадию пропускания частицы через датчик в виде сферического зеркала, включающего освещение потока частиц и регистрацию амплитуд импульсов рассеянного частицами света, по которым и судят о размерах частиц.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь по рассеянному от частицы и сферического зеркала импульса, что затрудняет определять форму частиц.

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.с. SU 1032370, G01N 15/02, от 30.07.1983), 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.

Известен способ анализа взвешенных частиц (Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В. и др. "Оптико-электронные методы изучения аэрозолей". М.: Энергоиздат, 1981. с. 126-130), 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, 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.

Известен способ анализа взвешенных частиц (Пат. RU 2054652, G01N 15/02 от 20.02.1996), позволяющий получить на фотокатоде видеокамеры одновременно два изображения, соответствующие проекции частицы на две взаимно перпендикулярные плоскости.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь в двух плоскостях проекции, что затрудняет оценку формы несферических частиц при их хаотической ориентации в потоке.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ анализа взвешенных частиц (Пат. RU 2436067, G01N 15/02, от 22.10.2010), позволяющий получить на фотокатоде видеокамеры одновременно три изображения, соответствующие проекции частицы на три плоскости.

Недостаток данного способа состоит в том, что в широком размерном диапазоне сложно обеспечить быструю фокусировку видеокамеры при резком изменении размеров частиц, кроме этого при определении размеров малых частиц возникает дополнительная погрешность, обусловленная пределом разрешающей способности видеокамеры, что затрудняет как определение формы, так и размеров, и вызывает дополнительные погрешности и ограничение диапазона измерения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении информативности данных при измерении размеров малых частиц, а также определения их формы и ориентации в пространстве.

Этот результат достигается тем, что устройство анализа взвешенных частиц, включающее источник лазерного излучения, системы объективов и зеркал, где световой пучок разворачивают равномерно под углом к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц и регистрация изображений частицы происходит с трех углов светового потока, а в плоскость регистрации эти изображения переносятся объективом видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, при этом для повышения точности измерения дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, зеркало, полупрозрачное эллиптическое зеркало, объектив с зеркалом, диафрагму, ловушку света, фотоэлектронный умножитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к компьютеру, два цифро-аналоговых преобразователя, подключенных к компьютеру, два усилителя мощности соответственно для управления лазером и вентилятором, матрицу ПЗС (вместо видеокамеры), к которой подключен усилитель, аналого-цифровой преобразователь, DSP-процессор, к компьютеру также подключены жидкокристаллический индикатор и интерфейс сопряжения с внешними устройствами.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства по предлагаемому способу.

Устройство содержит: сферический корпус с внутренним светопоглощающим покрытием 1, полупрозрачное эллиптическое зеркало 2, счетный объем 3, лазерный излучатель 4, объективы 4-11, 21, зеркала 12-16, 19, полупрозрачное зеркало 17, смотровое окно 18, световую ловушку 20, диафрагму 22, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 23, усилители 24, 27, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 25, 28, ПЗС-матрицу 26, DSP-процессор 29, компьютер (микроконтроллер) 30, цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) 31, 33, усилители мощности 32, 34, вентилятор (компрессор) 35, интерфейс сопряжения с устройствами 36, жидкокристаллический экран 37, патрубок забора пробы 38.

Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.

Поток частиц (область 3) освещают световым пучком, формируемым лазерным излучателем 4 и объективом 5. После прохождения потока этот световой пучок системой объективов 5, 9, 11, 7, 10 и зеркал 14, 16, 12, 15 разворачивают равномерно под углом к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц, где световой пучок проходит "трижды" через счетную область потока частиц 3, в плоскость регистрации эти изображения переносятся соответствующим объективом 6, ПЗС-матрицой 26, усилителем 27, АЦП 28, DSP-процессором 29, подключенным к компьютеру (микроконтроллеру) 30. Одновременно объектив ПЗС-матрицы строит в плоскости регистрации три изображения частицы в разных проекциях. При этом все три изображения пространственно разнесены путем соответствующей юстировки зеркал 12, 14, 15, 16.

Кроме регистрации изображений частиц в трех проекциях, устройство регистрирует рассеянное частицами и собранное эллиптическим зеркалом (эллипсоидом вращения) излучение при помощи фотоэлектронного умножителя. Для чего при помощи полупрозрачного зеркала 17, зеркала 13 и объектива 8 дополнительно направляется в счетный объем 3 и с помощью полупрозрачного эллиптического зеркала 2, смотрового окна 18, объектива 19, диафрагмы 22 на фотоэлектронном умножителе 23 регистрируются рассеянные частицами световые импульсы, а прямой световой поток поглощается ловушкой света 20, отражаясь от зеркала 19. С фотоэлектронного умножителя 23 электрический сигнал, пропорциональный рассеянному от частицы световому импульсу, усиливается в усилителе 24, преобразуется из аналоговой в цифровую форму при помощи АЦП 25 и поступает в компьютер (микроконтроллер) для дальнейшей обработки.

Компьютер (микроконтроллер) 30 управляет работой лазера 4 при помощи цифроаналогового преобразователя ЦАП 31 и усилителя мощности 32, а также управляет работой вентилятора (компрессора) 35 при помощи цифроаналогового преобразователя ЦАП 33 и усилителя мощности 34.

Вентилятор (компрессор) 35 через патрубок забора пробы 38 обеспечивает доставку анализируемых частиц в счетный объем 3.

Результаты проведенных измерений выдаются на жидкокристаллический экран 37, а также могут быть переданы на внешние устройства при помощи интерфейса сопряжения с устройствами 36.

Сферический корпус 1 внутри покрыт специальным светопоглощающим составом для устранения паразитных отраженных световых импульсов.

Таким образом, рассмотренное устройство, в отличие от известных, позволяет получить в плоскости регистрации одновременно три изображения каждой частицы, а также регистрировать при помощи полупрозрачного эллиптического зеркала и фотоэлектронного умножителя дополнительную информацию, позволяющую более точно определять размеры частиц вне зависимости от комплексного показателя преломления в более широком размерном диапазоне.

Устройство существенно повышает информативность и точность измерений.

Использование относится к области измерений, связанной с анализом взвешенных частиц. Устройство анализа взвешенных частиц включает источник лазерного излучения, системы объективов и зеркал, где световой пучок разворачивают равномерно под углом к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц и регистрация изображений частицы происходит с трех углов светового потока. При этом в плоскость регистрации эти изображения переносятся объективом видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, а для повышения точности измерения устройство дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, зеркало, полупрозрачное эллиптическое зеркало, объектив с зеркалом, диафрагму, ловушку света, фотоэлектронный умножитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к компьютеру, два цифро-аналоговых преобразователя, подключенных к компьютеру, и два усилителя мощности соответственно для управления лазером и вентилятором, матрицу ПЗС (вместо видеокамеры), к которой подключен усилитель, аналого-цифровой преобразователь, DSP-процессор, при этом к компьютеру также подключены жидкокристаллический индикатор и интерфейс сопряжения с внешними устройствами. Технический результат - повышение точности определения размеров вне зависимости от комплексного показателя преломления в более широком размерном диапазоне. 1 ил.

Устройство анализа взвешенных частиц, включающее источник лазерного излучения, системы объективов и зеркал, где световой пучок разворачивают равномерно под углом к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц и регистрация изображений частицы происходит с трех углов светового потока, а в плоскость регистрации эти изображения переносятся объективом видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, отличающееся тем, что для повышения точности измерения устройство дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, шесть зеркал, полупрозрачное эллиптическое зеркало, объектив, диафрагму, ловушку света, фотоэлектронный умножитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к компьютеру, два цифро-аналоговых преобразователя, подключенных к компьютеру, два усилителя мощности соответственно для управления лазером и вентилятором, матрицу ПЗС, к которой подключен усилитель, аналого-цифровой преобразователь, DSP-процессор, при этом к компьютеру также подключены жидкокристаллический индикатор и интерфейс сопряжения с внешними устройствами.