Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц Советский патент 1989 года по МПК G01N21/53 G01N15/02 

Изобретение относится к технике измерения размеров и концентрации , взвешенных частиц микронного диапазона размеров и может использоваться в электронной, химической пррмышлен- ности, гидрометеорологии, для контроля запыленности газов и жидкостей.

Цель изобретения - повышение надежности за счет упрощения конструкции и повышение чувствительности за счет уменьшения световых потерь.

На фиг. 1 представлена блок-схема регистратора; на фиг. 2 - фокусирующее зеркало, вид в плоскости главного сечения; на фиг. 3 - то же, в перпендикулярной ей плоскости, параллельной оптической оси осветителя.

Регистратор содержит осветитель 1, формирующий световой пучок 2, ось которого проходит через первый фокус О, фокусирующего зеркала 3. Это зер- - кало выполнено в виде участка эллипсоида, образованного вращением вокруг большой полуоси О, 0 эллипса с большой осью 2А, фокусами О,, 0 и фокусным расстоянием f . Зеркало 3 установлено так, что его большая ось перпендикулярна оси светового пучка 2. Фокус О, совпадает с точкой пересечения оси пучка 2 и оси узла 4, формирующего с помсщью воздуходувки 5 поток исследуемой среды. Зеркало 3 выполнено таким образом, что его угловой размер относительно фокуса 0 равен (фиг. 1 и 2) для любого азимутального угла об, т.е. в любой плоскости, проходящей через ось светового пучка 2. Со стороны, ближайшей

4

Ј СЛ Ю

О5

к фокусу 04, в зеркале 3 выполнено от отверстие 6, соосное с большой осью эллипса, причем угловой размер отверстия относительно фокуса 0 также ра- вен . Объектив 7 установлен соос- но с большой осью эллипса снаружи зеркала со стороны отверстия и оптически связывает плоскость, в которой расположена диафрагма 8 поля зрения, с плоскостью, проходящей через фокус О, перпендикулярно большой оси эллипса. За диафрагмой 8 поля зрения установлен приемно-анализирующий блок 9.

Регистратор работает следующим об- разом.

Световой пучок 2 от осветителя 1 проходит через поток исследуемой среды, формируемый узлом 4 с помощью воздуходувки 5. При наличии в потоке ,взвешенных частиц световой пучок частично рассеивается на этих частицах. Рассеянный свет в пределах определенного телесного угла (близкого к 4 iTsincf0) фокусирующим зеркалом 3 направляется в отверстие 6. Далее этот свет объективом 7 собирается на диафрагму 8 поля зрения, которая ограничивает поле зрения в направле- нии оси пучка 2. Прошедший через диафрагму 8 свет попадает на приемно- анализирующий блок 9. При этом о размерах частиц судят по амплитудам импульсов рассеянного света, а о концентрации - по средней частоте повторения указанных импульсов.

Рассмотрим подробнее ход световых лучей в зеркале 3 (фиг. 2). Положим, что взвешенная частица находится в фокусе 0 . Поскольку зеркало симмет- рично относительно большой оси, рассмотрим ход лучей только в верхней половине зеркала. В плоскости главного сечения (фиг. 2) световые лучи, вышедшие из фокуса 0( (за счет рас- сеяния на частице) под любым углом, в конце концов обязательно попадут в отверстие 6 непосредственно.

Лучи, рассеянные в пределах угла Ср(фиг. 2), отражаются зеркалом 3, проходят фокус Ог, вновь отражаются зеркалом 3 (нижней половиной), проходят фокус О , и выходят в отверстие 6. Возможное экранирование частицей этих световых лучей может иметь зна

чение лишь -для сравнительно крупных частиц (единицы микрометров), находя- .щихся строго в фокусе О, зеркала идеальной формы. Но, поскольку части

0 о

д с

5

5

цы движутся через световой пучок, то вероятность их пребывания в фокусе несравненно меньше вероятности их пребывания в окрестности фокуса (диаметр светового пучка в районе фокуса 01 много болыпе максимального размера частиц). Кроме того, неизбежные погрешности изготовления зеркала приводят к размытию изображения,т.е. к уменьшению экранирования. Практически это экранирование на измерение не влияет.

Лучи, рассеянные в пределах угла ср , отражаются зеркалом 3, проходят фокус Ог, отражаются зеркалом 3 (нижней половиной), проходят фокус О в пределах угла ср, . Далее эти лучи еще после двух отражений от зеркала 3 выходят через отверстие 6, испытав в общей сложности четыре отражения.

Наконец, лучи, рассеянные в пределах угла (фиг. 2), отразившись от зеркала 3 один раз, также проходят отверстие 6. При этом выходящий из отверстий 6 пучок имеет вид конуса с вершиной в фокусе 02 , в то время как выходящий из отверстия 6 пучок, обусловленный рассеянием в пределах угла Cf0 + Ср, + ср, имеет вид конуса с вершиной в фокусе Of .

Таким образом, максимальное количество отражений от зеркала равно четырем. Это является следствием соотношения fb a( + 1-tgCj)), а фиг. 2 соответствует случаю равенства в этом соотношении. Если изменить знак неравенства на противоположный, то максимальное количество отражений может быть равно шести и более. Ясно, что чем меньше количество отражений, тем меньше световые потери в зеркале и тем выше чувствительность измерений..

Рассмотрим ход световых лучей в пределах угла 2 в плоскости,проходящей через ось пучка 2 и составляющей с большой осью эллипса некоторый угол;/ (фиг. 1). Если oi( + + if (фиг. 3), то световые лучи после отражения зеркалом 3 и прохода через фокус 0 полностью попадает вновь на зеркало 3 и затем проходят через отверстие 6 (зеркало 3 имеет максимальный размер в направлении, параллельном оси пучка 2, как раз в том месте, где на него падают лучи, рассеянные под углом oi 1р0 + Ч1, )

Если oi + Ц( то световые лучи полностью попадают на зеркало 3 первый раз, но затем, после прохождения фокуса 0, второй раз на зеркало попадает лишь часть лучей, а оставшиес лучи проходят мимо зеркала. В этом случае лучи распространяются в напралении большой оси от фокуса О, к фо

кусу С , причем в указанном направле нии размер зеркала уменьшается (фиг. 3), что приводит к потере части световых лучей. Потери эти увеличиваются с увеличением oL , тем более что аналогичные потери имеют место и при третьем попадании лучей на зеркало (после прохождения фокуса О,).

-

В предельном случае, при Р 1Г , из света, рассеянного в пределах плоского угла 2ср0, через отверстие 6 пройдет лишь пучок, рассеянный в пределах угла .

В регистраторах подобного типа наиболее важным является формирование достаточно резких границ поля зрения в направлении оси пучка. В перпендикулярном этой оси направлении так называемый счетный объем регистратора ограничен диаметром светового пучка, т.е. размер диафрагмы поля зрения в этом направлении существенной роли не играет, и соответствующее размытые границ допустимо сравнительно большое.

В рассматриваемом регистраторе в Плоскости, проходящей через ось осветителя, световые лучи имеют апертур- ный угол и границы поля зрения вдоль указанной оси формируются в хоне именно этих лучей. В этом случае размытие границ определяется отступлением формы зеркала от формы фи- груры вращения, т.е. отступлением формы любого сечения зеркала в плоскос

ти, перпендикулярной большой оси эллипса, от формы дуги окружности.Такие отступления значительно легче контролировать (и, соответственно, уменьшить до приемлемой величины),

чем отступление от формы эллипсоида, i ,

В репендикулярной плоскости (в

плоскости главного сечения) апертурны угол рассеянных лучей близок к 21Г , и хотя выходящие из зеркала 3 лучи

эллипса . Однако размытие в указанной плоскости на погрешности измерений практически не влияет.

Таким образом, в предлагаемом регистраторе значительно ниже требования к точности изготовления и установке оптических элементов, благодаря чаму повышается надежность работы регистратора,

Формула изобретгння

1. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц, содержащий осветитель, оптически связанный через фокусирующее зеркало и диафрагму поля зрения с приемно-анализирующим блоком, а также узел формирования потока исследуемой среды, причем фокусирующее зеркало выполнено в виде части эллипсоида вращения и установлено так, что первый его фокус совпадает с точкой пересечения оптической оси осветителя и оси потока исследуемой среды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет упрощения конструкции, регистратор дополнительно содержит объектив, фокусирующее зеркало установлено так, что большая ось эллипсоида перпендикулярна оптической оси осветителя, и выполнено таким образом, что угловой размер его относительно первого фоку- са одинаков в любой плоскости, проходящей через ось осветителя, а в области, ближайшей к первому фокусу, в фокусирующем зеркале выполнено отверстие, соосно большой оси эллипсоида, угловой размер этого отверстия относительно первого фокуса равен угловому размеру зеркала относительно его первого фокуса, объектив установлен между диафрагмой поля зрения и фоку- сирующим зеркалом на большой оси эллипсоида вращения со стороны отверстия в зеркале, а диафрагма поля зре- ения установлена в плоскости, оптически сопряженной объективом с плос- костью, проходящей чере первый фокус зеркала перпендикулярно большой оси эллипсоида.

2. Регистратор по п.1, о т л и - чающийся тем, что, с целью

Изобретение может быть использовано в электронной и химической промышленности, в гидрометеорологии для контроля запыленности газов и жидкостей. Цель изобретения состоит в повышении надежности и чувствительности устройства за счет упрощения его конструкции и уменьшения световых потерь. Это достигается благодаря определенной форме выполнения фокусирующего зеркала, выбору его параметров и ориентации по отношению к осветителю и фотоприемному устройству. 1 з.п.ф-лы,3 ил.

имеют в этой плоскости угол раствора gg повышения чувствительности за счет

, границы поля зрения в направлении, перпендикулярном оси пучка, будут в значительной степени размыты вследствие неапланатичности фокусов

уменьшения световых потерь, в фокусирующем зеркале фокусное расстояни f и большая полуось а эллипсоида вр щения связаны соотношением

уменьшения световых потерь, в фокусирующем зеркале фокусное расстояние f и большая полуось а эллипсоида вращения связаны соотношением