Способ определения скоростей частиц Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 

Способ относится к измерительной технике, точнее - к способам определения скоростей и может быть использован для определения скоростей движения частиц, представляющих собой оптическую неоднородность одновременно со способами, позволяющими определять размеры частиц.

Наиболее распространенными способами определения скоростей являются: до- плеровская лазерная анемометрия, основанная на измерении спектра излучения, рассеянного движущимися объектами, корреляционные методы, основанные на обработке изображения частиц или спекл- картин, полученных в различные моменты времени, а также времяпролетные методы.

Классификация методов, основные принципы их работы, достоинства и недостатки рассморены, например, в справочнике Клочкова и др. (В.П.Клочков. Л Ф Козлов, И.В.Потыкевич, М.С.Соснин. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. Справочник - Киев: На- укова думка, 1985. - 760 С.), обзоре Илясова Л.В. (Илясов Л.В., Соколов В.П Современные методы и средства анализа гранулометрического состава жидких дисперсных систем. Обзорная информация. Приборы, средства автоматизации и системы управления. ТС-4. Аналитические приборы и приборы для научных исследований, вып 1 М ЦНИИТЭИ приборостроения, 1986) и других источниках.

За прототип принят способ, описанный в статьи Ванга и др. (Wang J.C F . Tichenor D.A. Particle site measurement using an

-4

optical variable-frequencv-grlr technique /7 Applied Optics.-1931.-V. 20.-N-- 8.-P. 1367- 1373), заключающийся в следующем. Поток частиц освещается сфокусированным излучением, с помощью линзы в плоскости MHO- поэлементного фотоприемника создается увеличенное изображение частиц (то есть ближнее поле дифракции). Далее анализируется импульс фототока при пересечении изображения частицы системы фогочузст- вительных элементов с различной толщиной .и расстояниями между ними. Скорость часгицы определяют по длительности импульса, размеры -- по переходу модуляции сигнала к нулю.

Недостатком прототипа является, в ча- стмости, низкая точность определения скоростей, что обусловлено следующей причиной. В данном способе анализируется непосредственно форма изображения, то есть ближняя зона дифракции, следовательно, необходимо использование фокусирующей линзы. Резкое изображение частицы а плоскости фотоприемника можно получить лишь в том случае, если частица находится на заданном расстоянии от линзы, Для остальных частиц изображение будет размытым, длительность импульса фототока будет несколько больше, соответственно значение измеряемой скорости занижено. Ошибка при измерении скорости указанным методом сравнительно небольшая - 0,5...10%. Однако в некоторых случаях этой томности недостаточно.

Целью изобретения является .еличе- ./ме точности,измерений скоростей .;стац.

Поставленная цель достигается тем, что фотоприемник размещают п зоне дифрак- ции Френеля на расстоянии L отсгрзничи- гзлющсй поток -диафрагмы, при атом L---(0,1-0,5).Пи,;;/ //., где Rmh - минимальный типоразмер частицы, Л.- длина волны изпу- чепия, ограничивают в пространстве-поток измеряемых частиц до ширины потока d:(0..2).L, освещение производят световым потоком с угловой расходимостью 6. -(0,,01),Rrnin/L определяют калибровочную зависимость ;(г): k(r}ГГГ f,yPJix (:OV -Ur-y (t)}.

,J{J -l -) л

(srjsp

х rjx dy dxdy.

где Sp - площадь проекции частицы к измерительной площади; Sr площадь фото приемника; Z ;L--i-d/2; x у1 - координаты частицы; х, у - координаты в плоскости фо- топриемника, о скорость частицы с учетом се размера определяют как v -k(r)W/T, где

W - ширина фотоприемника, г;- длительность импульса фототока.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг. 2 - формы импульсов фототока; на фиг. 3 - пример калибровочной зависимости для определения скорости с учетом размера частицы, На фиг. 1:1- источник излучения, 2 линза, 3 - ограничивающая диафрагма, 4 область регистрации частиц, 5 - фотоприемник.

Сущность способа заключается в следующем. Аналогично способу, принятому за прототип при пересечении частицей оптмческого луча в миогозлементном фотоприем- пике возникает пром одулиропанны и импульс фототока. Существенным отличием способа от прототипа является расположение Фотсприемиика в зоне дифракции Фремеля. В прототипе фотоприемник располагают относительно линзы таким образом, что и плоскости фотоприемника формируется изображение частицы. В предложенном способе - дифракционная

картина, причем расстояние выбрано таким образом, чтобы обеспечить однозначное соответствие между размером дифракционной картины и размером частицы. При больших размерах частицы в плоскости фотоприемника (на расстоянии L) буди г наблюдаться практически геометрическая тень от частицы. При уменьшении размеров частиц уменьшается размер теин. Начиная с некоторой величины все более и более будут

сказываться дифракционные эффекты. В конце концов наступает такой момент, когда при уменьшении размеров частицы размер дифракционной картины перестает уменьшаться и начинаетувеличпиаться, Это

означает, что между размером дифракционной картины и размером частицы не будет однозначного соответствия. Следовательно, расстояние Lнадо выбирать таким, чтобы однозначное соответствие сохранялось

ко всем требуемом диапазоне измеряемых частиц. А это возможно в случае, если L 0,5 Rmin.M, где Rmin минимальный размер частицы, требуемый измерить,/ - длина волны излучения. Выбирать значение знамм тел ьн о меньше указанной величины неце- лесообрззнгу, так как. как будет показано ниже, это потребует уменьшения ширины пространства регистрации частиц, что не

всегда желательно. Поэтому имеет смысл задать нижний предо ) величины L равным CU Rmin2/

Независимо от устройства, реализующего данный способ, на световой пучок накладывается дополнительное ограничение необходимо обеспечить малую угловую расходимость пучка а. Влияние угловой расходимости излучения должно быть пренебрежимо мало по сравнению с дифракционными эффектами. Для этого должно выполняться условие 7(рад)0,2 Птт/1-. Если задать слишком строгое ограничение на а, то будет сложно реализовать это на практике, тем более, что при малых размерах излучающей площадки источника нельзя получить высокую мощность. Разумным пределом является величина 0,01 Rmin/L.

В связи с тем, что поток частиц является протяженным и обладает шириной d, вдоль оптической оси на расстоянии L также возникает дифракционная картина. Если задать d«L, то можно считать, что дифракционные эффекты зависят только от расстояния L. Однако малая величина d может привести к ошибкам, обусловленным конструктивной реализацией способа. Поэтому нижний предел можно задать 0,01 L Форма импульсоо фототока вычисляется с использованием дифракционной формулы Френеля:

P(t)-f/x/,/ехрх sp )

, l LL lLtlll±CvLULllll: 2Z

.... . . . , 2 L f ,, ,, f t - 2 X(l

x dx riy dxdy где Z L+d/2 L; x1, у - координаты частицы; x, у -координаты в плоскости фотоприемника, Sp - площадь проекции в измерительной плоскости; Sr - площадь фотоприемника. Задав размеры частиц, решая уравнение P(t)0.5, определяют калибровочную зависимость k(r). В способе-прототипе и в других аналогичных случаях скорость частицы определяют исходя из длительности импульса . где W - ширина фотоприемника (по границе крайних элементов). В представленном способе с учетом размера частицы -k(r)W/r, где 1(г) - поправочный коэффициент величиною близкой к единице. Пример калибровочной зависимости k(r) для ,4 м, Я 0,86 мкм, ,03 MM, ,83 мм (расстояние между двумя элементами фотоприемника), , мм приведен на фиг. 3. Выбор половинного уровня определения длитель.-,

ности импульса обусловлен тем. что в этом случае k(r) 1.

Проверка работоспособности устройства, созданного на основе указанного спосо5 ба. производилась как в лабораторных условиях, используя в качестве эталона шарикоподшипники различного диаметра и капли воды, падающие с заданной высоты, так и в полевых условиях на промышленных

10 разбрызгивающих устройствах. Точность измерений составляла 2-5%.

Способ позволяет измерять скорость частиц на фоне движущихся неоднородно- стей, в мутных средах, при наличии тепло15 вых потоков и т.п., что невозможно измерить доплеровским и нефелометриче- скими способами. Одновременно с измерением скоростей частиц возможно определение их размеров.

20Формула из обретен и я

Способ определения скоростей частиц, заключающийся в освещении измеряемых частиц оптическим излучением и регистрации глубины модуляции фототока, возника25 ющей при пересечении частицами многоэлементного фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, фотоприемник размещают в зоне дифракции Френеля на рассло30 янии L от ограничивающей поток диафрагмы, при этом 1(0,,5)Нмин/А , где RMHH минимальный типоразмер частицы. Я - длина волны излучения, ограничивают с пространстве поток измеряемых частиц до

35 ширины потока (0,01-0,2)L, освещение производят световым потоком с угловой

потоком с

расходимостью a(0,2-O.Ol)R.v.nn2/L определяют калибровочную зависимость k(r) k(r)

40 rrrr iCx-x ((«-y (t))2

J.J J J exp- -J-J--.-l-- -LJ--t

(sr ) sp

x cix1dy1dxdy.

где Sp - площадь проекции частицы в изме- 45 рительнсй плоскости частицы; Sr - площадь фотоприемника; Z l+d/2; x , у - координаты частиц; х, у - координаты частиц в плоскости фотоприемника, а скорость частицы с учетом ее размера определяют как 5Q v-k(rjW/r, где W - ширина фотоприемника, т- длительность импульса фототока.

Сиг. I

t, iTH (Ь.

,

Ьг. 3

Использование: измерительная техника, определение скоростей движения частиц, представляющих собой оптическую неоднородность. Сущность изобретения: измеряемые частицы освещают оптическим излучением, регистрируют глубину модуляции фототока, возникающей при пересечении частицами многоэлементного фотопри- емникз, при этом фотоприемник размещают в зоне дифракции Френеля, на расстоянии L от ограничивающем поток диафрагмы, 1(0,1-0,5)Ямин2/А, где RMMH минимальный типоразмер частицы. Я- длина волны излучения, ограничивают в пространстве поток измеряемых частиц до ширины потока d(0,01-0,2)L освещение производят световым потоком с угловой расходимо- стыо Q/(0,2-0.01)RMHn/L, определяют калибровочную зависимость k(r). k(r) г г г г i(x-x (t))2-f(y-y (t)2 L J J J ехр . Is, ) SP dx dy dxdy, где Sp - площадь проекции частицы в измерительной плоскости Sr - пло- щадьфотоприемнига,7 1-+й/2;х1,у1-координаты частицы, х, у - координаты в плоскости фотоприемника, а скорость частицы с учетом ее размера определяют (r)W/ г, где W - ширина фотоприемника, т - длитепьность импульсов фототока. 5 ил. СЛ

Фиг. 2

й

г- П