СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В АЭРОЗОЛЯХ И ЖИДКОСТЯХ И УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01N21/47 

Заявляемая группа изобретений относится к исследованиям текучей среды с использованием оптических средств, в частности, к способам и средствам контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях.

Известен способ измерения счетной и массовой концентрации аэрозольных частиц, реализованный в оптико-электронном аэрозольном комплексе. Устройство содержит последовательно соединенные оптический блок, фоточувствительный приемник, счетчик частиц, схемы пересчета счетной концентрации аэрозольных частиц в массовую концентрацию и схемы сравнения величины измеренной массовой концентрации частиц аэрозоля с заданной величиной ПДК, схему формирования звукового и светового сигналов (RU 179118).

Недостатком данной реализации является отсутствие возможности измерения в реальном времени счетной концентрации частиц в жидкости.

Известен способ измерения счетной концентрации частиц в жидкости, реализованный в оптическом счетчике частиц. Данное устройство имеет лазерный резонатор с увеличенной апертурой, генерирующий лазерный свет, входную струю, обеспечивающую поток жидкости в область обнаружения частиц внутри лазерного резонатора, входная струя имеет входное отверстие для струи; оптический узел обнаружения, расположенный для сбора света, рассеянного от частиц, с областью обнаружения для получения выходного сигнала указывающий на частицы; и оптический барьерный комплекс, расположенный для снижения шума по сравнению с системой с увеличенной апертурой без оптического барьерного комплекса для скоростей потока жидкости, превышающих или равных примерно 0,1 кубических фута в минуту. Комплекс оптического барьера препятствует освещению лазерным лучом турбулентных вихревых токов, возникающих на внутренних стенках входной струи. Комплекс оптического барьера включает в себя одну или несколько физических апертур, один или несколько оптических ограничителей или оба, которые расположены для предотвращения освещения вихревых токов лазерным лучом (US 6903818).

Недостатком данного способа является невозможность измерения с его помощью в реальном времени счетной и массовой концентрации частиц в аэрозолях.

Известен способ измерения счетной концентрации аэрозольных частиц, реализованный в счетчике частиц, включающем в себя: многопоточную ячейку с проточными каналами, расположенными в первом направлении и имеющую секцию, включающую область обнаружения, для обнаружения частицы, образованную, когда проточный канал облучают излучающим светом; светоприемную оптическую систему, выполненную с возможностью приема излучаемого света, генерируемого частицей, содержащейся в образце текучая среда, текущая по меньшей мере в одном проточном канале и проходящая через область обнаружения; блок перемещения оптической оси, выполненный с возможностью перемещения оптической оси излучаемого света и оптической оси излучаемого света в первом направлении; и счетчик, сконфигурированный для подсчета частиц для каждого размера частиц на основе интенсивности излучаемого света (US 11262284).

Недостатком способа является невозможность применения его в технических средствах, предназначенных для измерения в реальном времени массовой концентрации аэрозольных частиц, а также счетной концентрации частиц в жидкости.

Известно применение оптического сенсора в качестве датчика массовой концентрации аэрозольных частиц. Для обеспечения того, чтобы различные степени загрязнения оптического датчика частиц могли быть обнаружены датчиком и могут быть приняты во внимание, оптический датчик частиц идентифицирует отдельные частицы при низких концентрациях частиц до 1000 частиц/см³ (US 10488313).

Известен способ измерения счетной концентрации аэрозольных частиц, реализованный в широкодиапазонном счетчике частиц. Данное устройство имеет секции, которые отдельно обнаруживают крупные и мелкие частицы в аэрозоле. Крупные частицы подсчитываются и измеряются в оптическом счетчике частиц. Мелкие частицы классифицируются с помощью анализатора дифференциальной подвижности для определения размера, а затем пропускаются через испаритель и конденсатор и также подсчитываются (US 6639671).

Недостатком данного способа является невозможность с его помощью измерять в реальном времени счетную концентрацию частиц в жидкости.

Известен способ измерения счетной концентрации аэрозольных частиц, реализованный в приборе, включающем в себя герметичную камеру обнаружения, газовый тракт и световой тракт, причем газовый тракт содержит газовую трубку для подачи образца и приемную газовую трубку, которые расположены соосно и жестко соединены с герметичной камерой обнаружения; световой тракт содержит источник света, который испускает расходящиеся лучи; набор падающих линз и криволинейное зеркало с отверстием последовательно расположены вдоль прямого направления лучей, испускаемых источником света, и как набор падающих линз, так и криволинейное зеркало неподвижно соединены с герметичной камерой обнаружения; фокальная точка криволинейного зеркала расположена на пересечении светового потока. тракта и газового тракта, а криволинейное зеркало снабжено устройством бокового сбора и обнаружения света; газовая труба для подачи пробы снабжена наружным рукавом с проточной трубой в оболочке, соосной с газовой трубой для подачи пробы, и между проточной трубой в оболочке и газовой трубой для подачи пробы образовано кольцевое пространство, которое позволяет проходить чистому газу в оболочке; выходной конец кольцевого пространства параллелен и выровнен. к выходному концу газоотводной трубы для подачи образца; и выходной конец газоотводной трубы с оболочкой соединен с соплом. Изобретение может эффективно предотвращать диффузию газовых потоков пробы, тем самым, повышая точность обнаружения (CN 101639435).

Недостатком данного способа является невозможность с его помощью измерять в реальном времени счетную концентрацию частиц в жидкости, а также массовую концентрацию аэрозольных частиц.

Известен способ измерения счетной и массовой концентрации аэрозольных частиц, реализованный в оптическом датчике, который определяет скорость частиц, проходящих через зону обнаружения частиц, и, следовательно, скорость потока газа, как по измеренному времени полета отдельных частиц, так и по величине пиков интенсивности рассеянного света. Это используется для определения концентрации частиц и может использоваться для управления дополнительным вентилятором (US10900894).

Недостатком данного способа является невозможность с его помощью измерять в реальном времени счетную концентрацию частиц в жидкости.

Известен способ контроля количественного содержания механических примесей в жидкости, заключающийся в том, что поток пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество механических примесей определенного размера и/или определяют изменение количества механических примесей определенного размера по времени прокачки. Известно также устройство контроля количественного содержания механических примесей в жидком углеводородном топливе, содержащее систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, датчики давления, установленные перед каждой фильтрующей перегородкой и за ней, а также аналитический блок-регистратор, связанный с датчиками давления, отличающееся тем, что аналитический блок-регистратор содержит микропроцессор, включающий компараторы, и блок памяти, содержащий предварительно полученные тарировочные данные по связи между гидравлическим сопротивлением и весовым количеством частиц, задержанных каждой фильтрующей перегородкой, причем аналитический блок-регистратор оснащен программой, обеспечивающей возможность расчета изменения гидравлического сопротивления каждой фильтрующей перегородки по времени в зависимости от номинального размера пор или ячеек и фракционного состава частиц, по которым вычисляют концентрацию частиц и их фракционное распределение в потоке жидкости на каждом контролируемом участке технологической схемы очистки топлива, входы микропроцессора соединены с выходами датчиков давления и выходом блока памяти, а выход микропроцессора с входом блока памяти и с входом блока индикации, содержащего цифровой дисплей, имеющий возможность отображения на экране данных о весовом количестве механических примесей на каждой фильтрующей перегородке (RU 2563813).

Недостатками данной группы изобретения являются низкая точность, малая производительность и высокая трудоемкость.

Также известны способ контроля содержания механических примесей и измерительное устройство для определения размера и количества частиц в жидкости имеет оптическую систему, расположенную между осветительным устройством и камерой, чтобы световые лучи с разными длинами волн попадали на глубину измеряемого объема. Устройство имеет измерительную ячейку с измерительным объемом, в который подается жидкость, содержащая частицы. Осветительное устройство излучает свет в сторону измеряемого объема, а камера фиксирует изображение объема. Оптическая система, расположенная между осветительным устройством и камерой, заставляет световые лучи с разными длинами волн падать в разных плоскостях фокусировки (f1-f3) на глубину объема. Камера объединяет изображения плоскостей фокусировки в одно изображение общей плоскости, а блок оценки определяет частицы в изображениях плоскостей фокусировки. Включена независимая формула изобретения для способа определения размера и количества частиц в жидкости. Таким образом, устройство содержит измерительную ячейку, через которую проходит среда, содержащая частицы, и осветительное устройство для освещения измерительного объема, а также камеру для захвата изображения измерительного объема и блок оценки для оценки изображения, полученного с помощью камеры, и определения частиц (DE 102011006033, прототип).

Данное техническое решение имеет два основных недостатка: невозможность работы с аэрозольными средами, а также высокие значения погрешности измерений (порядка 20-25%). Погрешность вызвана применением в качестве детектора камеры, а также применением лампы в качестве источника излучения.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее техническое решение заключается в расширении арсенала, устранении недостатков и повышении эффективности таких технических средств, которые обеспечивают в реальном времени контроль содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях.

Технический результат, достигаемый за счет использования заявленной группы изобретений, заключается в создания альтернативных способа и конструкции измерительной ячейки, реализующих в реальном времени контроль содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях и счетную концентрацию частиц в жидкости, а так же повышении точности измерений.

Сущность изобретения в части способа контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях заключается в том, что он предусматривает пропускание контролируемой текучей среды, представляющей собой аэрозоль или жидкость, через размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта, формирование излучения, пересекающего пробоотборный тракт, собирание излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды и контроль содержания механических примесей, причем осуществляют пропускание контролируемой текучей среды, представляющей собой аэрозоль или жидкость, через размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки капилляр пробоотборного тракта, формирование с помощью лазера луча лазерного излучения, пересекающего капилляр, собирание лазерного излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды в капилляре, на сферическом зеркале, расположенном под углом к направлению лазерного излучения и направляющем собранный им луч на расположенный противоположно зеркалу полупроводниковый детектор, с одновременным поглощением прошедшего вне капилляра прямого лазерного излучения с помощью черного тела, размещенного в ячейке со стороны капилляра, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера.

Предпочтительно, формирование луча лазерного излучения осуществляют с помощью полупроводникового лазера с длиной волны 632 нм.

Предпочтительно, собирание рассеянного лазерного излучения осуществляют на сферическом зеркале, расположенном под прямым углом к направлению лазерного излучения.

Предпочтительно, производят отбор проб с помощью двухпозиционного распределительного клапана, включенного в пробоотборный тракт с возможностью работы ячейки с разными текучими средами.

Сущность изобретения в части устройства оптической ячейки для реализации вышеизложенного способа заключается в том, что она содержит размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта, средства формирования излучения, пересекающего пробоотборный тракт, средства излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды и средства контроля содержания механических примесей, причем она содержит размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки капилляр пробоотборного тракта, лазер для формирования луча лазерного излучения, пересекающего капилляр, полупроводниковый детектор механических примесей, сферическое зеркало, расположенное под углом к направлению лазерного излучения с возможностью собирания лазерного излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды в капилляре, и направления собранного им луча на полупроводниковый детектор механических примесей, расположенный противоположно зеркалу, и черное тело, выполненное с возможностью поглощения прошедшего вне капилляра прямого лазерного излучения и размещенное в ячейке со стороны капилляра, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера.

Предпочтительно, лазер выполнен в виде полупроводникового лазера с длиной волны 632 нм.

Предпочтительно, сферическое зеркало расположено под прямым углом к направлению лазерного излучения.

Предпочтительно, устройство снабжено средством отбор проб в виде распределительного клапана, включенного в пробоотборный тракт с возможностью работы ячейки с разными текучими средами.

Исследованием уровня техники идентичных способов и устройств оптической ячейки, применяемой в приборах контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях, не обнаружено.

На фиг. 1 изображена схема ячейки в разрезе, на фиг. 2 - схема оптической ячейки для реализации способа контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях, вид снаружи.

На чертеже фиг. 1 обозначены:

1 - Полупроводниковый лазер с длиной волны порядка 632 нм; 2 - сферическое зеркало; 3 - капилляр; 4 - черное тело; 5 - полупроводниковый детектор; 6 - каналы обдува лазера и детектора чистым воздухом.

На чертеже фиг. 2 обозначены:

7 - оптическая ячейка (корпус); 1 - полупроводниковый лазер; 8 - пробоотборный тракт; 9 - распределительный клапан.

Устройство оптической ячейки содержит размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта 8, средства формирования излучения, пересекающего пробоотборный тракт 9, средства излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды и средства контроля содержания механических примесей.

Ячейка 7 содержит размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки 7 капилляр 3 пробоотборного тракта 8, полупроводноковый лазер 1 для формирования луча лазерного излучения, пересекающего капилляр 3, полупроводниковый детектор 5 механических примесей (полупроводниковый фотодиод вместо камеры), сферическое зеркало 2 (сегмент сферического зеркала), расположенное под углом к направлению лазерного излучения с возможностью собирания лазерного излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды в капилляре 3, и направления собранного им луча на полупроводниковый детектор 5 механических примесей, расположенный противоположно зеркалу 2, и черное тело 4, выполненное с возможностью поглощения прошедшего вне капилляра 3 прямого лазерного излучения и размещенное в ячейке 7 со стороны капилляра 3, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера 1.

Лазер 1 выполнен в виде полупроводникового лазера с длиной волны порядка 632 нм.

Сферическое зеркало 2 расположено под прямым углом к направлению лазерного излучения.

Устройство снабжено средством отбор проб в виде распределительного клапана 9, включенного в пробоотборный тракт 8 с возможностью работы ячейки с разными текучими средами.

Способ и работа устройства оптической ячейки для реализации способа контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях осуществляются следующим образом.

Полупроводниковый лазер 1 формирует луч, проходящий через капилляр 3 через который двигаются частицы, содержащиеся в воздухе или жидкости. Рассеянный ими свет собирается на сферическом зеркале 2 и попадает на полупроводниковый детектор 5. Прямое лазерное излучение попадает на черное тело 4, где поглощается и не вносит дополнительной погрешности в результат измерений. После проведения измерения, для очистки ячейки от остаточной концентрации частиц, производится очистка ячейки (лазера 1 и детектора 5) через каналы 6 обдува 6 для повышения точности измерений и уменьшения случайной составляющей неопределенности измерений.

В соответствии с фиг. 2, возможность применения данной ячейки в процессе измерений параметров частиц, как в аэрозолях, так и в жидкостях, обусловлена наличием распределительного клапана 9. Корректность работы ячейки 7 с разными средами обеспечивается за счет системы подачи воздуха в ячейку 7 через фильтр (не изображен) в обратном направлении.

Результаты измерений могут передаваться на обрабатывающий оптико-электронный аэрозольный комплекс (не изображен) осуществляющий мониторинг содержания механических примесей в контролируемой текучей среде. Такой комплекс может включать в себя аналитический блок-регистратор, связанный с датчиками давления, а также микропроцессор, включающий компараторы, и блок памяти. Указанный аналитический блок-регистратор оснащен, например, программой, обеспечивающей возможность расчета фракционного состава частиц, по которым вычисляют концентрацию частиц и их фракционное распределение в потоке текучей среды, а выход микропроцессора с входом блока памяти и с входом блока индикации, содержащего цифровой дисплей, имеющий возможность отображения на экране интегральных данных о количестве механических примесей обнаруженных в реальном времени.

Технический результат достигается благодаря применению в конструкции ячейки полупроводникового лазера с длиной волны порядка 632 нм в качестве осветителя. Также для аэрозольных реализаций предусмотрен обдув ячейки для очистки ее от пыли. Дополнительно, для обеспечения возможности отбора как жидкой, так и аэрозольной пробы, в ее конструкции предусмотрено наличие распределительного клапана 9. Корректность работы ячейки с разными средами обеспечивается за счет системы подачи воздуха в ячейку 7 через фильтр в обратном направлении.

Данная группа изобретений (способ и конструкция ячейки) позволяет измерять счетную концентрацию частиц в жидкости, счетную концентрацию аэрозольных частиц, массовую концентрацию аэрозольных частиц без необходимости разработки дополнительных устройств, а также значительно удешевляет и упрощает процесс выпуска, эксплуатации и обслуживания средств измерений, в состав которых она входит за счет стандартизации компонентов.

Данная группа изобретений (способ и конструкция ячейки) позволяет обеспечить значения погрешности измерений на уровне 10-15%, в частности, за счет применения в конструкции ячейки полупроводникового лазера с длиной волны порядка 632 нм, в качестве осветителя. Также для аэрозольных реализаций предусмотрен обдув ячейки для очистки ее от пыли.

Технический результат достигается за счет применения в конструкции ячейки полупроводникового лазера с длиной волны порядка 632 нм, в качестве осветителя, а также использование полупроводникового фотодиода вместо камеры. Также для аэрозольных реализаций предусмотрен обдув ячейки для очистки ее от пыли. Дополнительно, для обеспечения возможности попеременного отбора как жидкой, так и аэрозольной пробы, в ее конструкции предусмотрено наличие распределительного клапана.

Таким образом, в результате реализации заявляемой группы технических решений, осуществляется создание оригинальных способа и устройства контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях. Обеспечено повышение точности, эффективности таких технических средств.

Изобретение относится к области исследований текучей среды оптическими средствами и касается способа контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях. Способ включает в себя пропускание контролируемой текучей среды, представляющей собой аэрозоль или жидкость, через размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки капилляр пробоотборного тракта и формирование луча лазерного излучения, пересекающего капилляр. Рассеянное механическими примесями текучей среды лазерное излучение собирается сферическим зеркалом, расположенным под углом к направлению лазерного излучения, и направляется на расположенный противоположно зеркалу полупроводниковый детектор. Прошедшее вне капилляра прямое лазерное излучение поглощается с помощью черного тела, размещенного в ячейке со стороны капилляра, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера. Технический результат заключается в обеспечении возможности контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях в реальном времени, определения счетной концентрации частиц, а также в повышении точности измерений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля содержания механических примесей в аэрозолях и жидкостях, включающий пропускание контролируемой текучей среды, представляющей собой аэрозоль или жидкость, через размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта, формирование излучения, пересекающего пробоотборный тракт, собирание излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды и контроль содержания механических примесей,

отличающийся тем, что размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта, через который осуществляют пропускание контролируемой текучей среды, выполнен в виде капилляра, формирование излучения осуществляют с помощью полупроводникового лазера, луч которого пересекает капилляр, собирание лазерного излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды в капилляре, выполняют сферическим зеркалом, расположенным под углом к направлению лазерного излучения и направляющим собранное им излучение на расположенный противоположно зеркалу полупроводниковый детектор, прошедшее вне капилляра прямое лазерное излучение поглощают с помощью черного тела, размещенного в ячейке со стороны капилляра, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование луча лазерного излучения осуществляют с помощью полупроводникового лазера с длиной волны 632 нм.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что собирание рассеянного лазерного излучения осуществляют на сферическом зеркале, расположенном под прямым углом к направлению лазерного излучения.

4. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что производят отбор проб с помощью двухпозиционного распределительного клапана, включенного в пробоотборный тракт с возможностью работы ячейки с разными текучими средами.

5. Устройство оптической ячейки для реализации способа по любому из пп. 1-4, содержащее размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта, средства формирования излучения, пересекающего пробоотборный тракт, средство сбора излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды, и средство контроля содержания механических примесей,

отличающееся тем, что размещенный внутри замкнутой герметичной ячейки участок пробоотборного тракта выполнен в виде капилляра, средство формирования излучения представляет собой полупроводниковый лазер, предназначенный для формирования луча лазерного излучения, пересекающего капилляр, средство контроля содержания механических примесей представляет собой полупроводниковый детектор, средство сбора излучения выполнено в виде сферического зеркала, расположенного под углом к направлению лазерного излучения с возможностью сбора лазерного излучения, рассеянного механическими примесями текучей среды в капилляре, и направления собранного излучения на полупроводниковый детектор, расположенный противоположно зеркалу, устройство дополнительно содержит черное тело, выполненное с возможностью поглощения прошедшего вне капилляра прямого лазерного излучения и размещенное в ячейке со стороны капилляра, противоположной стороне размещения полупроводникового лазера.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что лазер выполнен в виде полупроводникового лазера с длиной волны 632 нм.

7. Устройство по любому из пп. 5, 6, отличающееся тем, что сферическое зеркало расположено под прямым углом к направлению лазерного излучения.

8. Устройство по любому из пп. 5, 6, отличающееся тем, что оно снабжено средством отбор проб в виде распределительного клапана, включенного в пробоотборный тракт с возможностью работы ячейки с разными текучими средами.