Фотоэлектрический счетчик частиц аэрозоля Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в промышленной технологии, сельском хозяйстве, биологии, метеорологии,

Известно устройство для измерения суммы ралиусов частиц аэрозоля, содержащее последовательно расположен7 ныв лазер, измерительный объем, при- емную линзу, в фокальной плоскости которой располомюн пространственный фильтр, собирающую линзу и фотоприемник. Коэффициент пропускания фильтра таким образом:зависит от.расстояния до оптической оси, что световой поток, рассеянный частицами и прошедший через фильтр, пропорционален сумОме их радиусов.

о го

Данное устройство имеет низкую точность измерений и ограниченный

4: СЛ диапазон измерений вследствие того, что для расчета фильтра используется дифракционное приближение, неприменимое для частиц с диаметром менее 5 мкм.

Наиболее близким техническим решением к описываемому является фотоэлектрический счетчик частиц, содержащий последовательно расположенные источник света, фокусирующую линзу, . измерительный объем, собирающую линзу и оптически связанный с ней фотоприемник. Рассеянный частицей свет, пройдя через приемную апертуру, регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Недостатком является наличие в диапазоне измерений нерабочих областей, где невозможно однозначное определение размера частиц или слишком низка точность измерений. Для однозначного определения размера частицы кривая зависимости сигнала фотоприемника от размера частиц должна монотонно возрастать с увеличением диаметра. Практически же имеются участки неоднозначности шириной 0,6: :1,5 мкм. Как правило, участки располагаются в диапазоне неприменимости дифракционного приближения в зависимости от конкретной конструкции оптической Фокусирующей и собирающей систем. Имеются также участки в диапазоне измерений, где сигнал фотоприемника возрастает очень медленно с увеличением диаметра частиц, что приводит к низкой точности измерений. Целью изобретения является расширение диапазона измерений частиц по размерам и снижение погрешности измерений путем регулирования интенсивности рассеянного частицей светового пучка по апертуре входной оптической системы- фотоприемника. Поставленная цель достигается тем что в фотоэлектрическом счетчике час тиц аэрозоля, состоящем из последова тельно расположенных источника света, фокусирующей линзы, измерительно го объема, собирающей линзы и оптически связанного с ней фотоприемники между измерительным объемом и собирающей линзой установлен корректирую щий узел, выполненный в виде колец, концентрических по отношению к оптической оси фокусирующей линзы, с воз можностью регулируемого маскирования площади каждого кольца в зависимости от оптического показателя преломления частиц. Кроме того, предложено каждое кольцо корректирующего узла выполнить из набранных в пакет прозрачных дисков, установленных с возможностью поворота вокруг оси, на которых размещены непрозрачные секторы, суммарная площадь которых по крайней мере равна площади всего кольца. На фиг.1 изображена оптическая схема фотоэлектрического счетчика с коаксиальной собирающей апертурой, на Лиг.2 изображена оптическая схема счетчика с некоаксиальной собирающей i апертурой; на фиг.З , 5, 6, 7 - варианты конструкций корректирующего узла/ на фиг. 8, 9 - кривые зависимостей электрического сигнала с фотоприемника от диаметра частиц, на фиг.10, 11, 12 - примеры настроенных корректирующих узлов. Фотоэлектрический счетчик содержит источник света 1, фокусирующую линзу 2, измерительный объем 3, нахрдящийся в фокусе линзы 2, корректирующий узел 4, собирающую линзу 5 и фотоприемник 6, светоловушку нерассеянного пучка 7. Сфокусированный пучок расположен в телесном угле2у, собирающая апертура для схемы на фиг.1 заключена между углами 2 и (Ь , а для схемы на фиг.2 наклонена к оптической оси на угол (j) и заключена в телесном угле 2|S. Корректирующий узел выполнен в виде колец 8.1-8.М (М 10), которые в одном варианте (фиг.-З и k) конструкции образованы из набранных в пакет прозрачных дисков 9 с размещенными на них непрозрачными секторами 10. В другом варианте (фиг.5 и 6) кольца образованы кольцевыми направляющими 11, в которых установлены подвижные шторки 12 с возможностью перекрытия площади кольца. В третьем варианте (фиг.7) каждое кольцо выполнено в виде сменного ослабления 13. I Устройство работает следующим образом. Каждое кольцо корректирующего узла пропускает на фотоприемник рассеянный частицей световой поток в некотором угловом диапазоне. Величина этого потока монотонно возрастает с увеличением диaiйeтpa частицы. Однако в диапазоне измерений 0,6-1,5 мкм образуется неоднозначная зависимость светового потока от диаметра частиц. Для различных колец, т.е. для разных углов рассеяния, эти участки неоднозначности располагаются в разных местах при полностью открытых кольцах, зависимость суммарного сйетового потока от диаметра также имеет участок неоднозначности. Это объясняется тем, что неоднозначности от отдельных колец не компенсируются возрастающими участками от других колец. Однако, уменьшив количество света, проходящее через некоторые кольца, вклад ко5торых в открытом состоянии в образование неоднозначности максимален, УЛается ловиться монотонного возрастания сигнала с фотоприемника при увеличении диаметра частиц во всем интересующем диапазоне размеров. В ряде случаев необходимо увеличить крутизну этой зависимости. Требуемая корректировка достигается маскированием площади кольца с помощью предложенных конструктивных средств. Например, при наличии шторок - прикрываются шторки и т.п. При устранении участка неоднозначности расширяется диапазон и повышается точность измерений. Рассмотрим подробнее принцип построения корректирующего узла. Разобъем область углов, в которой расположена приемная апертура, на М кольцевых участков (например ), коаксиальных с оптической осью осветителя, и рассчитаем для каждого уча стка величину падающего на него светового потока EJ (d, m), где d - диаметр частиц, m - оптический показатель преломления вещества частиц, i 1, 2,,.., М. Это достигается интег рированием индикатрисы рассеянного частицей света, вычисленной по точно теории Ми, по углам апертуры осветителя и кольцевого участка приемной апертуры и по диапазону длин волн ос ветителя. С учетом спектральной чувствительности фотоприемника величина EJ (d, m) пропорциональна отклику фотоприемника на свет, падающий в iкольцевой участок приемной апертуры. Полный сигнал с фотоприемника, по ко торому определяется размер частицы, равен сумме вкладов отдельных колец E(d, m) 2 Е { (d, m) и имеет области неоднозначности при некоторых диаметрах d, когда при раз ных диаметрах сигнал с фотоприемника одинаковый. Суммируя вклады от колец с некоторыми весовыми коэффициентами , в ряде случаев удается устранить эту неоднозначность за счет того, что для разных кольцевых участков неоднозначности возникают в разных облас тях диаметров. Скорректированный таким образом сигнал будет иметь вид М E(d, о) 2P;E,(«J ™ 2) it 5 6 Теперь достаточно закрыть часть площади каждого i-ro кольца светонепроницаемым материалом, чтобы получить корректируюи4ий узел, устраняющий область неоднозначной зависимости сигнала с фотоприемника от диаметра частиц, или увеличивающий крутизну этой зависимости для снижении ошибок измеренийТаким образом, для определения доли открытой площади в кольцах, или, что то же самое, коэффициентов пропускания каждого кольца, необходимо решить систему неравенств относительно Р; E(dj., ) - EA(dj) О j 1, 2,..., N, где d - диаметр частиц из интересующего диапазона размеров, примем dj,,d, где j - номерградуировочнойточки, N - числоградуировочныхточек. В развернутомвиде выражение(3)-имеет вид %P;(E;(d:,,, m) - E;(d:, m)) J 0(4) P; 1 i 1,2,...,M, j 1,2, .,., U, где Pj - коэффициент пропускания света через кольцо (или весовой коэффициент), га - оптический показатель преломления вещества частиц, i - номер кольца. ;(d m) - вклад i-ro кольца в полный сигнал фотоприемника без маскирования, вычисляемый по точной теории светорассеяния Ми, в относительных единицах; М - число колец 5 N - число градуировочных точек j - номер градуировочной точки. В качестве примеров реализации зобретения рассмотрим некоторые натроенные на конкретные оптические оказатели преломления корректируюие узлы для коаксиальных и некоаксильных схем. Счетчик по схеме на Фиг.1 имеет начение углов Y б5, 15° и . Градуировочные кривые (зави- ,

симость сигнала с ФЭУ от /1иаметра частиц) для показателя преломления п 1, 5, 1,7 и 1, без корректирующих узлов показаны на фиг.8 (кривые , 15) и фиг.9 (кривая 1б) соответственно. Видно, что одному значению Е соответствует от одного до трех значений диаметров. Расчет корректирующего узла указанным выше способом, при разбиении углового диапазона на 10 участков, показал, что выбор весовых коэффициентов для m 1,5 в виде Pi 5/6, 6(1/6), 2/6, l и для п 1,+5 в виде Р; (0,5) 6(1)1, 2,...,10, позволяет устранить участки неоднозначности градуировочной кривой. Полученные зависимости с корректирующими узлами для га 1,5 и 1,45 показаны соответственно на фиг.8 (кривая 17) и фиг.9 (кривая 18). Кривая 19 на фиг.8 отображает зависимость сигнала Е от диаметра частиц с показателем m 1,7 при наличии корректирующего узла, настроенного на показатель преломления га 1 , 5. Видно, что и в этом случае область неоднозначности существенно сужается. Это означает, что одно настроенное положение корректирующего узла достаточно для исправления градуировочных кривых для целевого поддиапазона оптических показателей преломления вещества частиц.

Примеры настроенных узлов показаны на фиг. 10, 11, 12..ДЛЯ показателя и 1,5 (фиг. 10) закрыта 1/6 часть кольца 8.1, т.к. Р 5/6, в кольцах 8.2-8.6 закрыто 5/0 частей (Pg-Pg 1/6) и т.д. Корректирующий узел в положении для m 1,5 приведен на фиг. 11. Кольца 8.1-8.4 закрыты наполовину (Р,-р4 1/2), а остальные открыты полностью. Для некоаксиальной схемы (фиг.2) корректирующий узел для го 1,5 показан на фиг. 12. Так ка; кольцо 8.10 должно быть представлено

с относительным весом Р, - 1, а приемная апертура вырезает из всего кольца сектор с угловым раствором Oi, то для сохранения весовых коэффициеи тов с меньшими номерами необходимо

закрыть области А (фиг. 12). Тогда область В реализует значения Р +Р 1/2. Аналогично учитываются при чя стройке конечные площади секторов 1C (фиг. Ц) или полностью открытой штор-ки 12 (фиг. 5).

Анализ кривых зависимостей электрического сигнала с фотоприемника от диаметра частиц показывает; что предложенное устройство по сравнению с

базовым объектом (он же прототип) I расширяет рабочий диапазон измерения аэрозольных частиц на 0,5-0,8 мкм а погрешность измерений этих частиц снижается с 20 до k-6%.

ФцгЛ

Фиг, 5

Ъ

11

1ь

11 11

.11

11

11

11

11

(pu.S

10

13 13

X/J фиг.7

. .S .9 1.