Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе Советский патент 1992 года по МПК G01N21/85 

(Л

С

Использование: анализ материалов, а именно жидких сред с примесями. Сущность изобретения: на кювету с анализируемой средой направляют монохроматическое излучение лазера и принимают когерентную составляющую излучения, обратно рассеянного, путем сканирования в узком угле (около 1°) относительно направления обратного рассеяния (180°). Контроль проводят сравнением распределения интенсивности регистрируемого излучения по углу с эталонными характеристиками. Это позволяет регистрировать объемные концентрации частиц в растворе до нескольких десятков процентов, 1 ил.

Изобретение относится к оптическим средствам исследования и анализа материалов и может быть применено для измерений в твердых и жидких растворах в случае сильнопоглощающих и сильнорассеивающих сред.

Известен способ контроля параметров частиц, заключающийся в том, что на среду, содержащую частицы, направляют импульсное монохроматическое излучение от лазера и измеряют коэффициент поглощения в среде оптического излучения, по которому судят о концентрации частиц.

Недостатком известного способа является его неприменимость в случае сильнорассеивающих и сильнопоглощающих сред, так как такие среды практически непрозрачны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптический

способ контроля для измерения содержания взвешенных частиц в потоке текущей среды, заключающийся в том, что на поток текучей среды, содержащей частицы, направляют монохроматический луч света, регистрируют излучение, отраженное от поверхности потока, и излучение, рассеянное в среде, и по величине отношения световых сигналов определяют уровень концентрации взвешенных частиц. Способ основан на том, что амплитуда излучения, отраженного от поверхности потока, линейно зависит от концентрации взвешенныхча- стиц, а рассеянный в среде после многократных отражений на частицах свет имеет постоянную амплитуду. Контроль осуществляют сравнением с эталонным.

Недостатком известного способа является неприменимость его к контролю пара-Ч

ю

00

ч

ю

метров частиц, в том числе и объемной концентрации их в сильно-рассеивающих и сильнопоглощающих средах. Известный способ применим в области преимущественно малых концентраций, где существует линейная связь между изменением показателя преломления и концентрацией частиц, и позволяет измерить некую усредненную объемную концентрацию, зависящую как от концентрации частиц в среде, так и от их размеров и оптических характеристик.

Целью изобретения является расширение диапазона контролируемых сред на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие,

На чертеже изображена схема устройства, реализующая способ.

Сущность изобретения заключается в следующем. Если на границу рассеивающей среды направить плоскую электромагнит- ную волну, то свет, попадая в среду, претерпевает многократное рассеяние. При этом в рассеянном свете существуют две составляющих. Одна, некогерентная, возникает за счет последовательных перерассеяний на частицах среды, причем на выходе из среды в любом направлении она определяется суммой интенсивностей рассеянного света, 8 средах с большой концентрацией рассеивающих частиц эта составляющая представ- ляет собой диффузное рассеяние, практически не зависящее от направления падающего света. Если обозначить через В угол между направлением падающего и рассеянного света, то для сильнорассеива- ющей среды отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности падающего излучения 1 ( 0)/1пад не зависит от в.

i Наряду с иекогерентной существует ко- герентная составляющая рассеянного света. Если в падающем излучении выделить два произвольных луча, то для них существует такой путь рассеянного света, при котором рассеяние от обоих лучей идет по одним и тем же неоднородностям, но строго в противоположных направлениях. При этом два таких выходящих луча будут оставаться когерентными, поскольку фазовые искажения для них строго одинаковы, так как происходят на одних и тех же неодно- родностях, только в противоположных направлениях.

При рассеянии света в обратном направлении (по отношению к падающему лу- чу) в окрестности угла разность фаз двух рассеянных лучей будет близка к нулю

двух рассеянных лучей с и интенсивность На

рассеяния от этих

двух когерентных лучей будет определяться величиной

li2(KorL(Ei + E2)2, где EI и Е2 - поля рассеяния от этих лучей.

Если Е1 Е2Л-Е,

(KorL4E2,(1)

Интенсивность ii2 HeKor некогерентно-рассеянного излучения определяется как сумма интенсивностей полей рассеяния этих двух лучей, т.е.

|12(некоО(Е12+Е22)л2Е2р)

Из соотношений (1) и (2) следует, что интенсивность рассеяния двух когерентных лучей почти в 2 раза превосходит интенсивность некогерентного рассеяния.

Дополнительные преимущества использования когерентного рассеяния выявляются в связи с влиянием свойств среды на рассеянное излучение. Некогерентное рассеяние в сильно неоднородных системах практически не чувствительно к параметрам таких систем, поэтому создает равномерный по углам рассеяния фон. Когерентное обратное рассеяние, наоборот, очень сильно зависит от свойств среды, а именно от объемной концентрации частиц, включающей зависимость от размеров частиц, и оптических свойств частиц, причем эта зависимость отражается в величине амплитуды и полуширины распределения интенсивности обратного рассеяния. Регистрацию когерентной составляющей производят в очень узкой области углов рассеяния, составляющей 0 относительно направления обратного рассеяния, что определяется условием когерентности. В этом случае заведомо регистрируется полное распределение интенсивности, т.е. с включением тика, так как сам пик регистрируемого излучения уже. Полученное распределение интенсивности сравнивают с эталонным распределением, в качестве которого используют аналогичную характеристику рассеяния для среды с известными свойствами. При установлении отклонения зарегистрированной характеристики от эталонной (по амплитуде пика обратного рассеяния или его полуширине) устанавливают объемную концентрацию частиц в растворе.

Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего источник 1 монохроматического излучения (лазер), установленную на пути излучения плоскопараллельную пластину 2, кювету 3 с анализируемым раствором и систему регистрации рассеянного излучения, которая включает длиннофокусную линзу 4, диафрагму 5, приемник 6, причем приемник б установлен с

возможностью перемещения в фокальной плоскости линзы 4 для сканирования угла рассеяния.

Способ осуществляют следующим образом.

Луч света от источника 1 (лазера) направляют на плоскопараллельную пластину 2,. при этом при отражении от верхней (фронтальной) плоскости пластины 2 луч попадает на кювету 3, заполненную средой, содержащей анализируемые частицы. Луч падает на кювету 3 под углом 9, отличным от 90°, чтобы исключить нормальное падение и отраженный свет. В контролируемой среде свет рассеивается, рассеянный свет, проходящий через пластину 2 в направлении обратного рассеяния, попадает после фокусировки линзой 4 на диафрагму 5 и приемник 6. Толщина пластины 2 подбирается из условия разделения двух лучей, иду- щих параллельно на приемник 6. После юстировки, проводимой в отсутствие среды для исследования в кювете 3, второй луч поглощается нейтральными фильтрами. При измерениях при наличии среды в кюве- те 3 первый луч падает на кювету и многократно рассеивается. Рассеянное назад излучение фокусируют линзой 4 на диафрагме 5, при этом микрометрическим винтом перемещают диафрагму, сканируя ее в фо- кальной плоскости линзы и регистрируют угловую зависимость рассеянного назад излучения, перемещение производится в узком угле±1° для регистрации всего распределения. Регистрация рассеянного назад излучения производится регистрирующим фотоумножителем с .последующим усилением электрического сигнала. Угловую зависимость рассеянного излучения сравнивают с градуировочной (тарирован- ной) кривой рассеяния от среды с частицами известного диаметра и объемной концентрации. По изменению величины максимума

кривой и ее полуширины устанавливают объемную долю взвешенных частиц в среде и тем самым производят контроль изменения объемного содержания частиц в среде. Преимущество предлагаемого способа по сравнению в известным заключается в расширении возможностей контроля на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие среды, в которых известный оптический способ не может определить объемные концентрации более 5%. При больших концентрациях частиц связь показателя преломления с концентрацией частиц становится нелинейной, причем характер нели- нейности зависит от вида частиц, вследствие чего точность измерения при концентрациях более 5% заметно падает. Предлагаемый способ свободен от этих недостатков.

Формула изобретения

Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе путем направления на исследуемый раствор монохроматического излучения, регистрации, характеристики рассеянного в нем излучения, сравнении этой характеристики с аналогичной, полученной от эталонного образца, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых сред, на исследуемый раствор под углом, не равным 90°, направляют плоскую волну монохроматического излучения, регистрируют путем сканирования интенсивность когерентной составляющей рассеянного излучения в области углов ±1°/ относительно направления обратного рассеяния и по отклонению профиля кривой распределения зарегистрированной интенсивности при различных значениях углов от аналогичной эталонной кривой судят об объемном содержании частиц в растворе.