СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Российский патент 2018 года по МПК G01N21/3577 

Изобретение относится к области диагностики и контроля качества жидкостей и может найти применение в машиностроении, энергетике, авиации и других областях техники при анализе технических жидкостей на наличие в них различного рода непрозрачных и прозрачных (но отличающихся от жидкости показателем преломления) примесей.

Известен способ экспресс-идентификации и контроля качества жидкостей, который состоит в том, что пробу исследуемой жидкости в виде тонкого слоя со свободной поверхностью облучают поглощающимся жидкостью лазерным импульсом, а идентификация и контроль качества жидкости проводится по индивидуальным особенностям процесса развития и релаксации термокапиллярного отклика, который наблюдается с помощью лазерного луча [см., например, Птент RU 2247968 C1, МПК G01N 21/00, опубл. 10.03.2005].

Недостатком данного способа является низкая точность определения наличия примесей во всем объеме исследуемой жидкости вследствие искажения структуры контролируемой жидкости при формировании пленки.

Известен способ определения сверхмалых концентраций примесей в растворах и газах, основанный на пропускании лазерного излучения через контролируемую жидкость и при последующем анализе регистрируемых изображений, формирующихся в результате комбинационного рассеяния лазерного излучения, проходящего через измерительную кювету с исследуемым объектом [см., например, Сборник научных трудов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011» С. 59-60].

Недостатком данного способа является зависимость точности определения примесей от разрешения объектива оптической системы и системы регистрации данных.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ определения микрочастиц в жидкости методом цифровой голографии, заключающийся в облучении жидкости лазерным излучением, получении изображений слоев исследуемой жидкости и распознавании малых рассеивающих частиц в произвольном сечении объема на основе определения корреляционных функций регистрируемых голограмм в соответствующем слое контролируемой жидкости [Petrov N.V. Correlation characterization of particles in volume based on peak-to-basement ratio. Scientific reports. 2017. Т. 7.]. В данном способе измерительную кювету освещают лазерным излучением и получают изображения объема среды в нескольких слоях. Оценку изображений проводят по результатам корреляционного анализа.

Основным недостатком предлагаемого способа является недостаточная точность определения примесей, обусловленная затенением изображений последовательных слоев друг другом.

Технический результат изобретения - повышение точности определения примесей в жидких средах.

Технический результат достигается тем, что производится отбор пробы контролируемой жидкости, пропускание через жидкость лазерного излучения и оценка параметров примесей, отличающийся тем, что после отбора пробу перемешивают, формируют спекл-поле лазерного излучения, регистрируют спекл-изображения лазерного пучка, прошедшего через контролируемую жидкость, выдерживают некоторое время до полного оседания примесей в пробе жидкости и повторно регистрируют спекл-изображение, оценку параметров примесей проводят по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии жидкости и в состоянии ее покоя.

Сущность изобретения заключается в том, что после отбора пробу перемешивают, формируют спекл-поле лазерного излучения, регистрируют спекл-изображения лазерного пучка, прошедшего через контролируемую жидкость, выдерживают некоторое время до полного оседания примесей в пробе жидкости и повторно регистрируют спекл-изображение, а оценку параметров примесей проводят по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии пробы жидкости и в состоянии ее покоя.

Перемешивание обеспечивает создание однородной взвеси частиц за счет равномерного распределения находящихся в пробе примесей. Перемешивание может быть выполнено с помощью мешалки [см., например, http://ulab.nt-it.ru/images/manuals/8/us-1550a-d.pdf].

Использование спекл-поля обеспечивает получение спекл-изображений при малейшем изменении концентрации и размеров примесей в жидкой пробе. [Vladimirov А.P. / Dynamic speckle interferometry of microscopic and macroscopic processes in deformable media. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 6.08.2015, C. 27-57]. Формирование спекл-поля лазерного излучения может быть выполнено с помощью фазового элемента, например, матового стекла [см., например, М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир. 1980. С. 57], а сам размер спекл-пятен может изменяться посредством фокусировки и/или дефокусировки зондирующего лазерного пучка. Фазовый элемент обеспечивает равномерное спекл-поле за счет множества центров рассеивания. Регистрация спекл-изображения лазерного излучения, прошедшего через контролируемую жидкость, может быть выполнена, например, ПЗС-матрицей [см., например, Патент RU 112991, МПК G01B 5/28, опубл. 27.01.2012 г.]. Определяют коэффициент корреляции спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии жидкости и при ее покое; по его значению принимают решение о наличии либо отсутствии примесей в исследуемой жидкости. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, блок-схема которого приведена на фигуре, где обозначено: 1 - лазер, 2 - формирователь спекл-поля, 3 - измерительная кювета, 4 - блок перемешивания, 5 - оптический регистратор спекл-картин, 6 - решающее устройство.

Назначение формирователя спекл-поля 2 и блока перемешивания 4 ясно из их названия.

Оптический регистратор спекл-изображений 5 предназначен для регистрации и передачи спекл-изображений на решающее устройство 6, он может быть выполнен в виде ПЗС-матрицы [см., например, Патент RU 112991, МПК G01B 5/28, опубл. 27.01.2012 г.].

Решающее устройство 6 предназначено для определения коэффициента корреляции между двумя спекл-изображениями, зарегистрированными в возмущенном состоянии и в состоянии покоя, и принятия решения о наличии либо отсутствии примесей по значению вычисленного коэффициента корреляции. Решающее устройство может быть выполнено на базе ЭВМ со специализированным программным обеспечением, разработанным, например [см., например, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2014617227, опубл. 15.07.2014 г.].

Устройство работает следующим образом: осуществляют отбор пробы контролируемой жидкости в измерительную кювету 3. Перемешивают жидкую пробу с помощью блока перемешивания 4. Сформированное спекл-поле проецируют на возбужденную контролируемую жидкость, выходящее из кюветы световое поле регистрируют с помощью оптического регистратора 5 в виде спекл-изображения. Затем кювета с пробой жидкости выдерживается промежуток времени, соответствующий полному оседанию примесей на дно измерительной кюветы 3, и производят повторную регистрацию спекл-изображения. Определяют коэффициент корреляции между двумя зарегистрированными спекл-изображениями и по его значению решающее устройство выдает информацию о наличии либо отсутствии примесей в объеме контролируемой жидкой пробе.

Изобретение относится к области диагностики и контроля качества жидкостей. Способ определения примесей в жидких средах основан на сравнении спекл-изображений, полученных после прохождения лазерного пучка через пробу контролируемой жидкости, которая была выдержана некоторое время до полного оседания примесей, и через пробу контролируемой жидкости, находящуюся в возбужденном состоянии. Сравнение регистрируемых спекл-изображений происходит решающим устройством по средствам вычисления коэффициента корреляции между двумя полученными спекл-изображениями. На основе значения полученного коэффициента корреляции решающее устройство определяет наличие или же отсутствие примесей. Технический результат заключается в повышении точности определения примесей в жидких средах. 1 ил.