Способ определения показателя рассеяния и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерениям оптических характеристик жидкой среды In situ, т.е. при погружении измерительного устройства непосредственно в исследуемую среду и позволяет определить показатель рассеяния в любой точке жидкой среды на любой глубине, например, в природных водоемах.

Изобретение может найти применение в качестве контрольно-измерительной аппаратуры в водопроводных сетях, а также в пищевой, фармацевтической и др. отраслях промышленности.

В основе известных способов определения показателя рассеяния (о) жидкой среды in situ лежит измерение показателя рассеяния в данном направлении (ст(у) путем фо- тометрировании излучения, рассеянного некоторым заданным объемом водной среды под углом (у) к направлению распространения излучения.

Наиболее простыми являются способы и устройства, с помощью которых проводят измерения а (у) для какого-либо одного угла, чаще всего фиксируют угол у 6°, и затем рассчитывают показатель-рассеяния (о), используя соответствующую статистическую корреляционную зависимость.

Точность определения общего показателя рассеяния (tf) таким способом недостаточна, поскольку корреляционные соотношения имеют большую погрешность.

В качестве прототипа принят более точный способ, по которому измеряют сг(у) в широком диапазоне углов (у), от 0,2-3° до 170° и затем рассчитывают показатель рассеяния (о) по замеренным величинам ст(у), используя численные методы интегрирования. Однако и этот способ недостаточно точен, т.к. при перемещении измерительного элемента в процессе измерения а (у) всегда остается неизмеренным рассеяние света в, некоторых малых улах у от нуля до 0,, где находится максимум индикатрисы рассеяния. Кроме того, динамический диапазон измеряемых величин о(у) обычно составляет 103-104, что значительно усложняет способ

сл

с

XJ

00

&

о

N)

Сл)

определения показателя рассеяния и устройство для его реализации.

Устройство, являющееся прототипом заявляемого, состоит из источника света, оптической системы, включающей длиннофокусные объективы и диафрагмы с малыми линейными размерами, и приемника излучения, выполненного с возможностью перемещения вместе с точечной диафрагмой в широком диапазоне углов.

Такое устройство, являясь сложным и громоздким, мало пригодно для проведения измерений in situ, и обычно используется в лаборатории и, кроме того, не обладает большой точностью, т.к. перемещение громоздких элементов устройства вносит при определении индикатрисы рассеяния дополнительную погрешность.

Цель изобретения - увеличение точности определения показателя рассеяния жидкой среды при одновременном конструктивном и эксплуатационном его упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения показателя рассеяния, включающем направление излучения изотропного источника в жидкую среду, измерение характеристик рассеянного светового поля и последующий расчет показателя рассеяния, измеряют полную облученность жидкой среды, создаваемую прямым и рассеянным светом, облученность прямым нерассеянным светом, а показатель рассеяния жидкой среды расчитывают по следующей формуле

--к1|пФ

где R - заданное расстояние в жидкой среде от источника света до точки измерений;

EI - величина полной облученности;

Еа - величина облученности прямым нерассеянным светом..

Устройство для реализации способа определения показателя рассеяния, состоящее из герметичного корпуса с защитными стеклами, внутри которого последовательно установлены на одной оптической оси источник излучения, защитные стекла, объектив, диафрагма и фотоприемник, сое- диненые через усилитель с вычислительным блоком, снабжено дополнительным фотоде- feKTopOM и дополнительным усилителем, причем, фотодетектор установлен на оптической оси между вторым по ходу излучения защитным стеклом и объективом и соединен с вычислителем через дополнительный усилитель.

На фиг.1 приведена схема устройства для определения показателя рассеяния; на

фиг. 2 - схема устройства с совмещением оптических осей измерительных каналов; на фиг. 3 показана кольцевая площадь входного зрачка объектива, не закрытая фотодетектором первого измерительного канала в устройстве по фиг.2.

На фиг.1 помещенное в жидкую среду 1 устройство имеет защитные стекла 2 и 3, изотропный источник света 4 непосредственио перед защитным стеклом 2, фотодетектор 5 первого измерительного канала непосредственно за защитным стеклом 3 вблизи оптической оси 0-0 излучения света источником 4, объектив 6, снабженный диафрагмой 7 с переменным диаметром, диафрагму 8 с малым диаметром на расстоянии (задний отрезок изображения объектива 6), определяющем плоскость резкого изображения источника света 4 объективом б и

фотодетектор 9 непосредственно за диафрагмой 8 второго измерительного канала. Все элементы устройства крепятся в корпусе 10. Два измерительных канала имеют выходы на соответствующий усилитель 11 или

12, с которых измеренные величины подаются в вычислительный блок 13 и полученный результат демонстрируется элементом 14. На фиг. 2 приведена схема устройства для реализации способа, когда фотодетектор 5 первого измерительного канала находится за защитным стеклом 3 на одной оптической оси 0-0 перед объективом 6, который вместе с диафрагмой 8 и фотодетектором 9 образуют второй измерительный

канал устройства 7. При этом, как показано на фиг. 3, фотодетектор 5 перекрывает центральную часть дифрагмированного объектива 6, так что изображение источника света во втором канале в диаграмме 8 образуется

периферийной частью объектива 6 Способ реализуется с помощью устройства, предварительно отрегулированного в эталонной среде описанным выше способом, по которому диафрагмированием объектива 6 или

изменением коэффициента усиления 12 добиваются равенства измеренных в двух каналах устройства, помещенного в эталонную среду, величин токов, т.е. одинаковой характеристики даух измерительных каналов. Эталонной является среда, рассеянием в которой можно пренебречь по сравнению в исследуемой жидкой средой, т.е. для эталонной среды справедлиао условие: а х 0. Эталонной средой является воздух, кроме

того, в качестве эталонной среды может использоваться дистиллированная вода двойной очистки.

Тогда токи (I), измеренные в первом и втором каналах измерительного устройства, помещенного в эталонную среду, будут соответственно равны

R2

12° - - С2,

R2 где I - сила источника света;

R - размер заданного объема водной среды, являющийся для устройства базой измерений;

Ci, С2 - коэффициенты пропорциональности.

Для отрегулированного устройства, т.е. когда И° 12°. коэффициент пропорциональности С будет одинаковый, т.е. два измерительных какал отрегулированного устройства имеют одинаковую характеристику: .

При установке настроенного устройства в исследуемую жидкую среду облучаемую изотропным точечным широ- коизлучательным источником света 4, в первом измерительном канале фотодетектором 5 вырабатывается ток И, пропорциональный полной облученности EI водной среды на заданном расстоянии R, т.е.

i CiEi Ci-WxR,

R2 где I - сила источника света;

х - показатель поглощения света исследуемой водной среды;

Ci - коэффициент пропорциональности, определяемый следующими параметрами:

81771 mi. где Т - пропускание защитного стекла 3;

Si - площадь рабочей части фотокатода фотодетектора 5;

-чувствительность фотокатода фотодетектора 5;

пи - коэффициент усиления усилителя 11.

Во втором измерительном канале фотодетектор 9 вырабатывает ток (te), пропорциональный облученности (Еа)только прямым, нерассеянным светом, который выделяемся вторым измерительным каналом с помо щью точечной диафрагмы 8 и объектива б, а именно

I2 C2E2 C2-WX R,

R

где а- показатель рассеяния света исследуемой среды;

С2 - коэффициент пропорциональности, определяемый следующими параметрами второго измерительного канала

Т Роб Тоб Зд 1J2 ГП2 Зиз

С2

0

5

0

5

0

5

0

где Т - пропускание защитного стекла 3;

Ооб площадь входного зрачка {диафрагма 7) объектива б;

Тоб - пропускание объектива 6;

Зд - площадь точечной диафрагмы 8;

Зиз - площадь изображения источника света объективом 6;

tj2 -чувствительность фотокатода фотодетектора 9;

П12 - коэффициент усиления усилителя 12.

Для устройства по фиг.2, с установкой фотодетектора 5 перед объективом 6, под площадью входного зрачка (00б) объектива 6 в коэффиенте пропорциональности С2 понимается кольцевая площадь диафрагмы 7, не закрытая фотодетектором 5, что изображено на фиг.З.

Однако, приведенные выше коэффициенты Ci и С2, характеризующие первый и второй измерительные каналы устройства, подготовленного к проведению измерений описанной выше настройкой в эталонной среде, будут одинаковыми, т.е. .

Тогда токи, вырабатываемые фотоприемниками первого и второго каналов, пропорциональные соответствующим облу- ченностям в исследуемой среде на расстоянии Rt, будут соответственно равны

R

(K+6)R

R

Отношение этих двух токов будет пропорционально показателю рассеяния света исследуемой среды, т.е.

e-6R или

И к И

Вычислительный блок 13 по отношению

- ,„

измеренных токов --

рассчитывает путем

5

0

5

логарифмирования по последней формуле показатель рассеяния света исследуемой водной среды.

Устройство может быть реализовано на известной элементной базе.

По измеренному показателю рассеяния можно судить о концентрации частиц взвеси в исследуемой жидкой среде, поглощающей и рассеивающей свет. Известно, что показатель рассеяния света пропорционален концентрации взвешенных частиц в водной среде 1. Коэффициент пропорциональности определяется путем измерения показателя рассеяния различных образцов жидкой среды, с одной стороны, и с др стороны - путем измерения концентрации частиц для этих же образцов с помощью, например, выпаривания. По градуировочной кривой, отражающей зависимость показателя рассеяния от концентрации частиц, определяют значение коэффициента пропорциональности в измеренном диапазоне изменэния этой концентрации, В результа- те этого необхдимая характеристика жидкой среды, например, концентрация частиц взвеси в водопроводной воде, может уже без предварительного выпаривания или др. обработки непосредственно выводиться на экран регистрирующего элемента в соответствии с определенным показателем рассеяния среды.

Формула изобретения 1. Способ определения показателя рас- сеяния, включающий направление излучения изотропного источника в жидкую среду, измерение характеристик рассеянного светового поля и последующий расчет показателя рассеяния, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности при одновременно упрощении, измеряют полную облученность жидкой среды, создаваемую прямым и рассеянным светом, облученность прямым нерассеянным светом, а по-

казатель рассеяния стжидкой среды рассчитывают по формуле

a -1/Rln(E2/Ei).

где R - заданное расстояние в жидкой среде от источника света до точки измерений;

EI - величина полной облученности;

Еа величина облученности прямым нерассеянным светом,

2.Устройство дяаопределения показателя рассеяния, состоящее из гермеричного корпуса с защитными стеклами, в котором последовательнб установлены на одной оптической оси источник излучения, защитные стекла, объектива, диафрагма и фотоприемник, соединенный через усилитель с вычис- лительнымблоком,отличающееся тем, что, с целью увеличения точности при одновременном упрощении в устройство введе- ны дополнительный фотодетектор и дополнительный усилитель, причем фотодетектор установлен на оптической оси между вторым по ходу изучения защитным стеклом и объективом и соединен с вычислителем через дополнительный усилитель.

Использование: измерение оптических характеристик водной среды. Показатель рассеяния можно определить в любой точке водной среды на любой глубине. Сущность изобретения: по отношению полной облученности жидкой среды и облученности от прямого нерассеянного света определяют показатель рассеяния в жидкой среде. 2 с.п ф-лы, 3 ил.

Фиг.З