Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды Советский патент 1989 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим способам контроля параметров дисперсных сред, позволяет определять концентрацию частиц в

потоке прозрачной среды и может быть использовано в электронной промышленности, биологии, медицине и при контроле загрязнении о)чружак111и-11 среды.

Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела определяемых кон центраций частиц.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды.

Устройство содержит лазер 1 непрерывного излучения, акустооптический модулятор 2, зеркало 3, собирающий объектив 4, полевую диафрагму 5, фотоприемник 6, селективный частотный фильтр 7 и блок 8 обработки и регистрации,

Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды осу ществляется следующим образом.

Пучок непрерывного излучения лазера 1 с частотой СО, направляется во входную апертуру акустооптичес- кого модулятора 2, на выходе которого, кроме прошедшего пучка с частото СОц формируется также второй пучок с частотой tOj, распространяющийся на- клонно к направлению hepsoro пучка. Разность СО, -СОг частот определяется частотой сигнсша, возбуждающего акустооптический модулятор 2. Раз- ностьбЗ, - СО частот первого и второго пучков выбирается из условия COi (

СО

-rg- , так как при большей разности

частот выделение, селекция и обработка сигнала на частоте биений не могут быть выполнены эффективно из-за значительных технических трудностей, С помощью зеркала 3 осуществляется пересечение первого и второго пучков внутри области 9, занятой средой с исследуемыми частицами. Рассеянный частицами свет собирается объективом 4 и регистрируется фотоприемником 6, обеспечивающим фотосмешение сигналов рассеяния первого и второго пучков лазерного излучения. Полевая диафрагма 5, снабженная двумя отверстиями, позволяет попеременно регистрировать рассеянный частицами свет из зоны пересечения первого и второго пучков и из области,лежащей внутри области 9, но вне зоны пересечения пучков. Сигнал биений на разностной частоте |с«), с выхода фотоприемника 6 выделяется с помощью селективного частотного фильтра и поступает на вход блока 8 обработки и регистрации.

Представим, что ток фотоприем}1нка 6 i( обусловлен фотосмешением волн, рассеянных п частицами, облучаемыми первым лазерным пучком в объеме V, , и п частицами, облучаемыми вторым лазерным пучком в объеме V, причем объемы V и V-i че пересекаются. Величина тока 1, равна

П П 2

i, в, Z. Z1 лСГр ,

,

где сечение рассеяния для пары частиц р и q, принад5

0 5

5

В

лежащих соответственно объемам V и

0

- коэффициент пропорциональности, учитывающий интенсивность облучения, чувствительность фотоприемника и телесный угол сбора света.

Поскольку частицы распределены в потоке хаотично, фазы различных сечений Лб ро не коррелируют и не зависят от флуктуации числа частиц, попадающих Б объемы V и Vj. В этих условиях для среднего квадрата тока фотоприемника 6 можно записать

1

(

Кл(

п

П-2

5

0

5

0

Г п

z: uG-p, в,

- Р} где А, |ЛО 1 - для частиц в объемах V, и V.

Учитывая, что п, и п - независи-: мые случайные величины, поскольку V( и Vi не пересекаются, получают ,njA, .

Предположим, что первый и второй лазерные пучки пересекаются в объеме Vp. Тогда ток i фотоприемника, вызванный смешением волн от разных пучков, рассеянных по частицам п в объеме V, равен

По По

2:лс;1,

Для среднего квадрата тока фотоприемника 6 в этом случае получают

где В - коэффициент пропорциональности, учитывающий интенсивность облучения, чувствительность фотоприемника и телесный угол сбора рассеянного света.

для частиц в объеме V.

Учитывая, что при стати.-;-цчески однородном распрс7;€шении частиц в

потоке число частиц п конское распределеш1е, По (п,) +п„

Тогда

((n;)+n)A2.

-rZ.r l,/l2

Отношение i,/ средних квадртов токов в этом случае может быть получено из выражения

Т

72 1.

П.П/

, v

А,В,

-г (По) -t-n

Выбирая соответствующим образом телесные углы сбора рассеянного света из объемов V, V и VQ , можн легко обеспечить условие А,

Принимая во внимание, что

(к„)

получают выражение, позволяющее определять концентрацию частиц Т2 / г

п ( Y° v.v.) v

Положительный эффект обеспечивается именно в той области концентраций, где флуктуагщи числа частиц в счетном объеме становятся достаточно велики и другие интегральные методы измерения концентраций не могут эффективно применяться из-за значительных статистических погрешностей. Формула изобретения

Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды, включающий зондирование потока среды с исследуемыми частицами пучком непрерывного лазерного излучения с частотой СО,, регистрацию рассеянного частицами света фотоприемником, измерение сигнапа тока фотоприемни92242

ка и опредепсиио iid его леличипо концентрации , о т л и ч л - ю щ и 11 с я тем, что, с целью сии- женин нижнег о предела cnlpeдeляe n,lx концентраций частиц, доткигнитсльно формируют второй пучок HcnpepbiBHoj o лазерного излучения с чпстотоГ сОз , удовлетворяющий ycJiOBino

10

СЛ

|w,-w,/ тоошУ

и обладающий взаимной когерентностью с лазерным излучением первого пучка,

15 осуществляют пересечение первого и второго лазерных пучков в потоке среды с исследуемыми частицами, а регистрацию рассеянного света осуществляют путем фотосмсгиения сигналов

2Q рассеяния первого и второго лазерных пучков, выделения сигналов токов фотоприемника }ia частоте биений и из- мерения среднеквадратичных значений этих токов, при этом концентрац1по

25 п частиц находят из соот)1ошения

0

5

0

5

где

п

Т- 1.

i

V V,HV

0

()V,

V, v,(TVili vr

-среднеквадратичное значение тока фотоприемника, вызванного рассеянием света частицами, находящи№1ся в зоне пересечения первого и второго лазерных пучков;

-среднеквадратичное значение тока фотоприемника, вызванного рассеянием света частицами, находящимися вне зоны пересечения первого и второго лазерных пучков; счетный объем зоны пересечения первого и второго лазерных пучков;

счетные объем г, содержащие частицы, рассеивающие соответственно излуче1П1я первого и второго лазер П11х пучков вне зоны их пересечения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике ,в частности, к оптическим способам контроля параметров дисперсных сред. Оно позволяет определять концентрацию частиц в потоке прозрачной среды и может быть использовано в электронной промышленности, биологии, медицине и при контроле загрязнения окружающей среды. Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела определяемых концентраций частиц. Сущность изобретения состоит в том, что среду с исследуемыми частицами подвергают зондированию пересекающимися взаимно когерентными лазерными пучками с различающимися частотами. Сигнал биений фотоприемника селектируют на разностной частоте и определяют средние значения квадратов фототоков. Попеременно регистрируют сигналы рассеяния из зоны пересечения пучков и области вне зоны их пересечения. Из отношения средних квадратов фототоков, относящихся к указанным двум зонам рассеяния, определяют концентрацию частиц. В основу способа положен физический эффект, состоящий в различном влиянии на флуктуации сигнала фотосмешения, флуктуаций числа частиц в области корреляции рассеяния двух пучков (зона пересечения пучков) и в области отсутствия корреляции рассеяния двух пучков (вне зоны пересечения пучков). Способ наиболее чувствителен в диапазоне малых концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объеме препятствуют эффективному применению других интегральных методов из-за возрастания статистических погрешностей. 1 ил.