СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2018 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к технике измерений, в частности к оптическим методам контроля, и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных частиц.

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.С. SU 507807, G01N 15/02 от 08.01.1974 г.), основанный на облучении исследуемого объекта электромагнитным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами электромагнитного излучения, в котором с целью повышения точности анализа, облучение осуществляют одновременно обоими видами излучений, регистрируют изменение частоты: моночастотного электромагнитного излучения, а размер частиц находят по формуле , где η - коэффициент вязкости среды; V₀ - амплитуда скорости частиц под действием акустических колебаний; Δf - максимальное изменение частот отраженного моночастотного электромагнитного излучения; λ - длина волны моночастотного электромагнитного излучения; ρ - плотность частицы; F - частота акустических колебаний.

Недостатком способа является сложность реализации и малую точность при определения размеров и плотности вещества частиц, обусловленной высокой методической погрешностью.

Известен способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта (патент RU 2288476, G01P 5/20, G01M 9/06, от 14.03.2005 г.), который включает размещение на исследуемой поверхности объекта слоя вязкой жидкости с оптически инородными частицами, помещение объекта в поток газа или жидкости и получение картины течения газа или жидкости на поверхности объекта. В качестве оптически инородных частиц используют нерастворимые в вязкой жидкости оптически инородные частицы, которые помещают на поверхности вязкой жидкости или в ее толщу. Для получения картины течения газа или жидкости на поверхности объекта регистрируют при интересующем режиме потока газа или жидкости два или более последовательных изображения распределения частиц на исследуемой поверхности объекта, так чтобы смещение свободной поверхности слоя вязкой жидкости под действием внешнего потока за время проведения регистрации серии последовательных изображений на исследуемом режиме обтекания составляло порядка 0,1-1% от размера регистрируемой поверхности, и этот слой мог быть использован для визуализации другого режима течения газа или жидкости. Далее определяют параметры движения частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и из полученных параметров движения частиц восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности объекта.

Недостатком способа является малая информативность, позволяющая только визуализировать распределение твердых частиц в течение газов или жидкости, т.е. размер, форма и плотность частиц не определяется.

Известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц (А.С. SU 1520399, G01N 15/02 от 18.02.1988 г), в котором в потоке частиц, освещенных неподвижным пучком света, возбуждают акустическое колебание в направлении, перпендикулярном направлению потока и оси пучка, и регистрируют "пачки" импульсов рассеянного частицами света, возникающие при пересечении пучка света колеблющимися частицами, по амплитудам которых судят о размерах частиц, а по средней частоте повторения "пачек" - о концентрации частиц.

Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц.

Известен способ определения параметров дисперсных частиц (Пат. RU 2346261, G01N 15/02 от 09.07.2007 г.), в котором объем с дисперсными частицами зондируют пучком маломощного лазерного излучения и одновременно с зондирующим лазерным излучением исследуемый объем подвергают воздействию ультразвуковых колебаний. По динамической составляющей рассеянного и отраженного (под малыми углами относительно направления распространения) от дисперсных частиц излучения определяют их собственные частоты механических колебаний, из которых находят размер частиц.

Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц.

Известен оптический способ бесконтактного измерения скорости течений жидкости и газа, основанный на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), позволяющий измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения (Albrecht Н.Е., Borys М., Damascke N., Тгореа С. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003, 738 p.).

Недостатком указанного способа является малая информативность - способ позволяет определять только скорость течения жидкости или газа и не позволяет определять размерные параметры, плотность вещества и массу частиц.

Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке (Патент GB 2480440, G06T 7/20 от 30.06.2010), основанные на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (particle image velocimetry - PIV). Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микроразмеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.

Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц в потоке.

Известны способ и устройство для оптического измерения размера или скорости объекта, движущегося в жидкости через поле (пат. FR 2689247, G01P 3/38, 5/00, 5/22, G01N 15/02, G01B 11/00, от 24.03.1992 г.), в котором первое изображение движущегося объекта или жидкости берется вдоль оптической оси для первого момента времени, фиксируется с помощью датчика ПЗС-матрицы камеры, после чего во второй момент времени фиксируется второе изображение движущегося объекта или жидкости по той же оптической оси с помощью датчика ПЗС-матрицы камеры и далее полученные изображения одновременно обрабатываются для того, чтобы определить размер и скорость объекта путем вычитания одного сигнала из другого, или вывести скорость жидкости с помощью автокорреляционной функции.

Недостатком способа и основанного на нем устройства является отсутствие возможности определения массы и плотности движущегося объекта в потоке жидкости.

Известны способ и устройство для измерения перемещения изображений частиц для многократного экспонирования велосиметрии (пат. US 4729109, G01P 5/00, G01P 5/18, H04N 13/00 от 29.05.1985 г.), в котором описан цифровой метод измерения смещений компактных изображений, в частности, изображения частиц, записанных на любой носитель записи. Метод сжимает двумерное изображение поля частиц двух изображений. Смещение частиц между несколькими экспозициями определяется путем оцифровки двух одномерных изображений, вычисления их автокорреляции и поиска пиков этих автокорреляций. Этот метод особенно пригоден для измерения поля скоростей жидкостей, содержащих много мелких частиц.

Недостатком указанного способа и устройства является то, что он позволяет определять только поле скорости жидкости, содержащей много мелких частиц, и не позволяет определять размер, форму, плотность вещества и массу частиц.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ цифровой трассерной визуализация - PIV (particle image velocimetry), для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц (М. Raffel, С. Willert and J. Kompenhans, Particle Image Velocimetry, a Practical Guide, Springer, Berlin, 1998), сущность которого заключается в измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. Измерительной областью потока считается плоскость, «вырезаемая» световым ножом. Частицы в измерительной плоскости потока должны быть освещены минимум дважды. Образы частиц регистрируются на цифровую камеру. Последующая обработка изображений позволяет рассчитать амплитуду смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поле скорости.

Недостатком указанного способа является малая информативность. Способ позволяют определять лишь поле скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц и не позволяет определять размер, форму, плотность вещества и массу частиц.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении информативности и точности данных при измерении параметров частиц за счет введения дополнительного акустического излучения и регистрации получаемых при этом изображений колебаний частиц потока.

Этот результат достигается тем, что способ определения параметров взвешенных частиц, сущность которого заключается в измерении перемещения частиц, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени в измерительной плоскости, «вырезаемой» световым ножом, в котором частицы в измерительной плоскости потока освещаются минимум дважды и регистрируются на цифровую камеру, а последующая обработка изображений позволяет рассчитать амплитуду смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поле скорости, а для повышения информативности способа и возможности определения размера, плотности и массы вещества частиц в поток дополнительно направляется акустическое излучение заданной частоты и амплитуды, и дополнительно регистрируются облученные акустическим излучением серии последовательных изображений перемещения частиц примеси в плоскости светового ножа минимум в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц, а для определения вязкости среды измеряется температура потока.

На фиг. 1 представлена схема устройства по предлагаемому способу, а на фиг. 2 - общая схема устройства регистрации изображения перемещения частиц примеси в плоскости светового ножа, на фиг. 3 показана зависимость увлечения аэрозольных частиц при разных частотах звука.

На схеме, поясняющей работу устройства, показано следующее: воздушный поток 1 с частицами 2, плоскость регистрации ПЗС 3, линза, формирующая световой нож 4, смотровое окно прозрачное для световых волн 5, лазерный излучатель 6, усилители мощности 7, 17, цифроаналоговые преобразватели (ЦАП) 8, 18, датчик температуры 9, усилители 10, 13, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 11, 14, матрица ПЗС 12 с объективом 12', DSP - процессор 15, акустический излучатель 16, ЭВМ (микроконтроллер) 19, интерфейс сопряжения с внешними устройствами 20, цифровой индикатор 21, узкий световой поток в плоскости (световой нож) 22, воздуховод для пропускания потока через плоскость регистрации ПЗС 23, акустическое излучение 24.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Воздушный поток 1, содержащий частицы 2, через смотровое окно 5 освещают световым пучком в виде светового ножа 22, формируемого лазерным излучателем 6 и объективом 4. Лазерный излучатель 6 управляется микроконтроллером 19 через цифроаналоговый преобразователь 8 и усилитель мощности 7.

В начале измерения в измерительной плоскости 3, «вырезаемой» световым ножом 22 (в плоскости регистрации ПЗС), в которой поток частиц освещается серией последовательных вспышек лазерным излучателей 6. Полученные изображения регистрируются матрицей ПЗС 12 с объективом 12' и далее через усилитель 13 и АЦП 14 поступают на DSP-процессор, который проводит обработку полученных изображений и рассчитывает амплитуду смещения частиц за время между вспышками лазерного излучателя. Далее информация поступает на ЭВМ (микроконтроллер) 19, который строит поле скоростей потока частиц с помощью вычисления автокорреляции двух последовательных изображений и поиска пиков этих автокорреляций (М. Raffel, С. Willert and J. Kompenhans, Particle Image Velocimetry, a Practical Guide, Springer, Berlin, 1998), а также определяет размер частиц с помощью цифровой обработки полученных изображений.

Далее начинает работать акустический излучатель 16, амплитуда и частота излучаемых волн которого направляется перпендикулярно потоку частиц. Амплитуда и частота акустического излучения 24 задается алгоритмом работы ЭВМ (микроконтроллера) 19 при помощи формирования управляющих импульсов через ЦАП 18 и усилителя мощности 17 на вход акустического излучателя 16. В измерительной плоскости 3, «вырезаемой» световым ножом 22, в которой поток частиц освещается лазерным излучателем 6 и акустическим излучателем 16 в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц и полученные серии колеблющихся изображений потока частиц регистрируются матрицей ПЗС 12 через объектив 12' и далее через усилитель 13 и АЦП 14, поступают на DSP-процессор 15, который проводит предварительную обработку полученных изображений. Затем полученные данные подаются на микроконтроллер 19, который, с учетом температуры среды (газа, жидкости) измеряемого потока, получаемого при помощи датчика температуры 9, усилителя 10 и АЦП 11, рассчитывает плотность и массу частиц, попавших в плоскость регистрации по формулам приведенным ниже в зависимости от амплитуды и частоты звуковых колебаний с учетом данных полученных в начале измерения.

В результате устройство позволяет определить параметры движения потока - поле скоростей потока и размер и форму частиц с использованием светового излучения, а плотность и массу вещества взвешенных частиц в потоке с использованием светового и акустического излучения.

Результаты проведенных измерений выдаются на жидкокристаллический экран 21, а также могут быть переданы на внешние устройства при помощи интерфейса сопряжения с устройствами 20.

Воздуховод для пропускания потока через плоскость регистрации ПЗС 23 может иметь (фиг. 2) как прямоугольную форму, так и цилиндрическую форму, причем последняя предпочтительней из-за более симметричного распределения воздушного потока, не нарушающего требования изокинетичности отбора пробы для непрерывного измерения.

Для определения массы и плотности частиц определяется коэффициент увлечения аэрозольных частиц в звуковом поле. Взвешенная в газе частица под действием линейных сил звукового поля вовлекается в колебательное движение (Физические основы ультразвуковой технологии. / Под ред. Л.Д. Розенберга: Монография. - М.: Наука, 1970. - С. 645-646). В зависимости от свойств среды, размеров и плотности частицы последняя может увлекаться средой полностью, частично или оставаться неподвижной.

Коэффициент увлечения k_увл, под которым понимается отношение амплитуды скорости взвешенной частицы Uч к амплитуде скорости частицы газа U₀ или амплитуды смещения частицы А_ч к амплитуде смещения частицы газа A₀, вычислен Кенигом

где =(2ε+1)/3; , (T - период колебаний; α - радиус частицы; η - динамический коэффициент вязкости среды; ρ₀ - плотность среды; ε=ρ_ч/ρ₀; ρ_Ч - плотность частицы.

Согласно Брандту, Фройнду и Хидеману более наглядное выражение для коэффициента увлечения частицы средой при условии, что между взвешенной частицей и колеблющейся средой действует сила Стокса для малых чисел Рейнольдса Re<1 и умеренных уровнях давления (<150 дБ)

где τ=(2/9)(ρ_Чα²/η) - время релаксации частицы, ƒ - частота акустических колебаний, ω=2πƒ.

В силу инерции частица не только колеблется с амплитудой, меньшей чем амплитуда колебания газа, но и отличается от колебания среды по фазе. Угол сдвига фазы ϕ определяется соотношением

Из выражения (2) видно, что амплитуда колебаний частиц тем больше отличается от амплитуды колебаний окружающей среды, чем больше размер и плотность частицы, чем выше частота звука и меньше вязкость.

На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента увлечения от радиуса частицы для дискретных частот звука.

При увеличении уровня звука до 160 дБ и выше для частиц аэрозоля с радиусом 1-10 мкм число Re принимает значения 1-10 и тогда коэффициент увлечения k_увл

где, ν - кинематическая коэффициент вязкости среды; U - скорость движения среды или частиц.

Из формулы (4) видно, в случае большого уровня звука степень увлечения есть функция амплитуды звукового давления и она растет с увеличением последней.

Динамический η и кинематический ν коэффициенты вязкости среды η (газа или жидкости) зависят от температуры среды и увеличиваются с увеличением температуры (у жидкостей уменьшаются при увеличении температуры) и могут быть взяты из справочных данных зависимостей вязкости сред от температуры.

Алгоритмом ЭВМ (микроконтроллера) 19 устройства предусмотрена оценка коэффициентов увлечения аэрозольных частиц по получаемым при помощи описанного устройства изображениям колеблющихся частиц по вышеуказанным выражениям и справочным данным, записанным в память микроконтроллера и определение плотности и массы этих частиц в исследуемом потоке.

В результате работы микроконтроллера 19 по заданному алгоритму с помощью регистрации не менее двух изображений потока частиц определяются параметры движения потока - поле скоростей потока, размер, форма частиц, и, с помощью регистрации серий изображений в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц в потоке колеблющихся частиц в акустическом поле определяются значения плотности и массы веществ, взвешенных в потоке частиц с учетом всех полученных ранее данных.

Таким образом, рассмотренный способ, в отличие от известных, позволяет существенно повысить информативность данных и определять поля скоростей, размер, форму, плотность и массу взвешенных частиц.

Использование: в технике измерений, при определении параметров взвешенных частиц. Способ определения параметров взвешенных частиц, сущность которого заключается в измерении перемещения частиц, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени в измерительной плоскости, «вырезаемой» световым ножом, в котором частицы в измерительной плоскости потока освещаются минимум дважды и регистрируются на цифровую камеру, а последующая обработка изображений позволяет рассчитать амплитуду смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поле скорости, а для повышения информативности способа и возможности определения размера, плотности и массы вещества частиц в поток дополнительно направляется акустическое излучение заданной частоты и амплитуды, и дополнительно регистрируются облученные акустическим излучением изображения перемещения частиц примеси в плоскости светового ножа минимум два периода звуковых колебаний с учетом релаксации частиц, а для определения вязкости среды измеряется температура потока. Способ существенно повышает информативность данных и позволяет определять поля скоростей, размер, форму, плотность и массу взвешенных частиц. 3 ил.

Способ определения параметров взвешенных частиц, сущность которого заключается в измерении перемещения частиц, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени в измерительной плоскости, «вырезаемой» световым ножом, в котором частицы в измерительной плоскости потока освещаются минимум дважды и регистрируются на цифровую камеру, а последующая обработка изображений позволяет рассчитать амплитуду смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поле скорости, отличающийся тем, что для повышения информативности способа и возможности определения размера, плотности и массы вещества частиц в поток дополнительно направляется акустическое излучение заданной частоты и амплитуды, и дополнительно регистрируются облученные акустическим излучением серий последовательных изображений перемещения частиц примеси в плоскости светового ножа в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц, а для определения вязкости среды измеряется температура потока.