Прибор для определения размеров частиц Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оборудованию автоматизированного измерения размеров частиц, и может быть использовано для оценки качества и эффективности ряда технологических процессов, осуществление которых связано с использованием чистых жидких или газообразных сред.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в прибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной

плоскости ее объективов, и фотоприемник, фильтр, подключенный к его выходу анализатор, введены последовательно расположенные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлучевой интерферометр с телескопической системой в предметном плече, установленная перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также в общей фокальной плоскости объективов второй системы, второй фотоприемник, второй фильтр, подключенный ко второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха-Цендера, в опорные плечи интерферометров введены телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих эти системы объек00 О О

со

00

тивов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и их выходы оптически сопряжены с чувствительными площадками соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управляемые усилители, управляющие выходы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически связанных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.

Введение в прибор для определения размеров частиц новых элементов с их взаимосвязями позволило повысить точность измерений. Точность повышена за счет следующих факторов. В предложенном приборе более четко определены границы измерительной зоны, образованной перпендикулярным пересечением сфокусированных световых потоков, и выбирается наибольший из сигналов, полученных от каждого из пересекающихся пучков. В приборе в телескопических системах используются объективы с равными фокусными расстояниями, что обеспечивает равенство интенсивностей опорных и предметных пучков и получение действительно темных интерференционных полос, а так как щели диафрагмы расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии частиц не освещены,, в связи с чем значительно уменьшены на выходах фотоприемников шумы лазера и дробовые шумы. В опбрные плечи интерферометров введены телескопические системы, идентичные системам в предметных плечах, что обеспечивает совмещение идентичных световых пучков и, следовательно, существенное уменьшение фоновой составляющей. Объединение выходов каждого интерферометра на один фотоприемник позволило удвоить уровень полезного сигнала. Фотоприемники в приборе регистрируют сигналы, каждый из которых представляет собой сумму инвертированного импульса ослабления, импульса рассеяния в направлении распространения освещаемого потока и импульса рассеяния в направлении, перпендикулярном направлению распространения освещающего светового пучка. Это позволяет существенно увеличить амплитуду сигналов от частиц (и как следствие, - отношение сигнал/шум) и уменьшить влияние на них показателя преломления частиц или их материала (амплитуда сигналов ослабления практически не зависит от материала частиц, а регистрация сигналов рассеяния одновременно в двух

направлениях усредняет такую зависимость для них).

На фиг.1 приведена схема прибора для определения размеров частиц, на фиг.2 образование в приборе измерительной зоны; на фиг.З - распределение интенсивностей в пересекающихся сфокусированных световых пучках.

Прибор для определения размеров час0 тиц содержит два лазера 1 и 2, отклоняющие зеркала 3 и 4, светоделители 5 и 6, фотоприемники 7-10, коллиматоры 11 и 12, два интерферометра Маха-Цендера 13 и 14, в предметных плечах которых установлены

5 телескопические системы 15 и 16, имеющие общийузел 17 прокачки исследуемой среды, а в опорных плечах - телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и21, диафрагмы 22-25, зеркала 26-29, прямоугольные

0 отражательные призмы 30 и 31, приемные объективы 32 и 33, регулируемые усилители 34 и 35, фильтры 36 и 37, анализатор 38. Каждый интерферометр включает полупрозрачные зеркала 39-42, а также - зеркала

5 43-46. Телескопические системы 15, 16, 18 и 19 состоят соответственно из объективов 47 и 48, 49 и 50, 51 и 52, 53 и 54.

Лазер 1, отклоняющее зеркало 3, светоделитель 5,коллиматор 11 и интерферометр

0 14 расположены последовательно и оптически связаны. Лазер 2, отклоняющее зеркало 4, светоделитель 6, коллиматор 12 и интерферометр 13 также последовательно расположены и оптически связаны.

5 Интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера и образованы каждый из них соответственно полупрозрачными зеркалами 39, 40 и 41, 42 и зеркалами 43, 44 и 45, 46. В каждом предметном плече интерферо0 метров 13 и 14 расположены телескопические .системы 15 и 16, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, а в месте пересечения этих осей, где расположен общий фокус всех четырех объективов ука5 занных систем, установлен узел 17 прокачки исследуемой среды. В опорных плечах интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсатора 20 и 21 в общих фокальных плоскостях их объекти0 BOB. Выходы интерферометра 13 объединены через две диафрагмы 22, 23, два зеркала 26, 27, прямоугольную отражательную призму 30 и приемный объектив 32 на один фотоприемник 9. Выходы интерферометра 14

5 объединены через две диафрагмы 24, 25, два зеркала 28, 29, прямоугольную отражательную призму 31 и приемный объектив 33 на фотоприемник 10. Фотоприемники 7 и 8 оптически сопряжены соответственно со светоделителями 5 и 6. К выходам фотоприемников 9 и 10 подключены регулируемые усилители 34 и 35, управляющие входы которых соединены с выходами фотоприемников 7 и 8. выходы регулируемых усилителей 34 и 35 связаны через фильтры 36 и 37 с анализатором 38. Объективы всех телескопических систем имеют равные фокусные расстояния и расположены на двойном фокусном расстоянии друг от друга. Компенсаторы в телескопических системах, размещенных в опорных плечах интерферометров, имеют размеры в сечении, равные размерам узла прокачки исследуемой среды.

В приборе для определения размеров частиц используются лазеры типа ЛГ-79-1, е качестве фотоприемников 7 и 8 применены фотодиоды ФД256, а фотоприемников 9 и 10 - фотоумножители ФЭУ -.69. Коллиматоры увеличивают сечение потока в четыре раза. Фокусные расстояния объективов телескопических систем равны 16 мм, а приемных объективов - 30 мм, Регулируемые усилители построены по схеме с управлением коэффициентом передачи напряжением, обратно пропорциональным мощности лазерного излучения, а фильтры - по схеме полосовых усилителей. Анализатор выполнен в виде двухканального преобразователя амплитуда-код, блока буферных регистров, интерфейса и ППЭВМ типа ЕС 1841.

Прибор для определения размеров частиц работает следующим образом.

Излучение от лазеров 1 и 2 направляется отклоняющими зеркалами 3 и 4 на светоделители.5 и 6. Прошедшие светоделители 5 и 6 световые пучки попадают в коллиматоры 11 и 12, которые расширяют их. Отклоненные светоделителями пучки, интенсивность которых значительно меньше .прошедших пучков (единицы процентов), регистрируются фотоприемниками 7 и 8. Эти фотоприемники служат для регистрации изменений мощности лазеров. Электрические сигналы с них подаются на управляющие входы регулируемых усилителей 34 и 35.

Расширенные коллиматорами световые потоки направляются в два интерферометра 13 и 14 типа Маха-Цендера. В каждом интерферометре излучение делится полупрозрачными зеркалами 39 и 41 на два равных по интенсивности потока, одни из которых зеркалами 43 и 45 направляются в предметные плечи соответствующих интерферометров, где помещены телескопические системы 15 и 16. Объектив 47 телескопической системы 15 и объектив 49 телескопической системы 16 фокусируют

световые потоки в узел 17 прокачки исследуемой среды, через который она прокачивается с постоянной скоростью.

Оси сфокусированных лучей в узле прокачки пересекаются под прямым углом и пучки образуют освещенную зону, вид которой показан на фиг.2. В освещенной зоне есть общий объем для обоих пересекающихся потоков, используемый в качестве изме0 рительной зоны, при прохождении которой частицы регистрируются. В связи с тем, что длина перетяжки сфокусированных потоков значительно превышает ее диаметр, формируется измерительная зона, сечение кото5 рой имеет форму, близкую к квадрату с почти четкими границами. Интенсивность вдоль любой оптической оси распределена значительно более равномерно, чем поперек ее (фиг.З). Так как оптические оси фоку0 сирующих объективов перпендикулярны, в измерительной зоне в каждом направлении есть два распределения интенсивностей пересекающихся пучков и выбор наибольшего из любых двух сигналов, полученных при

5 взаимодействии обоих потоков с частицей, позволяет получать наиболее достоверные сигналы. При этом происходит выбор потока, имеющего по траектории движения час- тицы наибольшую интенсивность, и

0 получение измерительной зоны с наиболее равномерной освещенностью. Потоки в измерительной зоне не интерферируют, так как они не когерентны вследствие использования двух лазеров в приборе.

5 Излучение, прошедшее узел прокачки, собирается объективом 48 телескопической системы 15 и объективом 50 телескопической системы 16. выходящие из телескопических систем световые пучки параллельны

0 и имеют сечения, равные сечениям входных пучков, но пространственно обернутые. Вторые пучки, полученные после деления полупрозрачными зеркалами 39 и 41, используются как опорные. В опорных плечах

5 интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и 21. Назначение этих телескопических систем состоит в получении опорных потоков, пространственно обернутых таким обра0 зом, как и предметные потоки. Компенсаторы позволяют выравнять оптические пути предметных и опорных потоков, а также исключить регистрацию частиц, которые могли бы попасть из окружающей среды в

5 сфокусированное излучение объективами 51 и 53 телескопических систем 18 и 19. Предметные и опорные пучки в каждом интерферометре совмещаются при помощи зеркал 44, 46 и полупрозрачных зеркал 40. 42. Интерферометры юстируются таким образом, что на их выходах получают наиболее широкие интерференционные полосы. Щели диафрагм 22-25 расположены напротив темных интерференционных полос, где интенсивность близка к нулю.

При попадании частицы, находящейся в прокачиваемой исследуемой среде, в измерительную зону, образованную пересечением перетяжек сфокусированных потоков, уменьшается интенсивность предметных пучков интерферометров, т.е. они ослабляются. Это приводит к нарушению равенства интерферирующих потоков и, как следствие, к появлению засветки на темных интерференционных полосах. Формирующиеся при этом за щелями диафрагм 22-25 световые сигналы есть не что иное, как инвертированные сигналы ослабления. Они имеют положительную полярность относительно нулевого уровня. На эти сигналы накладываются (или суммируются) сигналы рассеяния, имеющие такую же полярность. Суммируются с сигналами ослабления два вида сигналов рассеяния: рассеяние вперед и рассеяние под углом 90°. Сигналы рассеяния вперед распространяются совместно с прошедшим узел прокачки излучением и образуются от взаимодействия с частицей потока в интерферометре, на выходе которого получают эти сигналы. Сигналы рассеяния под углом 90° образуются от взаимодействия с частицей излучения из другого интерферометра по отношению к тому, на выходе которого они регистрируются. Таким образом, за каждой диафрагмой формируются суммарные световые сигналы. Амплитуда этих сигналов наименее подвержена флук- туациям из-за различия материала частиц, так как методу ослабления присуща сравнительно слабая зависимость сигнала от материала частиц в широком интервале показателей преломления, а суммируемые сигналы рассеяния регистрируются в двух перпендикулярных направлениях, что позволяет проводить их усреднение.

Сигналы с двух выходов каждого интерферометра суммируются на фотоприемниках 9 и 10 при помощи зеркал 25-29, прямоугольных отражательных призм 30, 31 и приемных объективов 32, 33. Суммарные сигналы имеют в два раза большую амплитуду. Они посредством фотоприемников преобразовываются в электрические. Электрические сигналы формируются при попадании частиц в освещенную зону крестообразного вида. При этом появление сигналов одновременно с обоих фотоприемников свидетельствует о прохождении частицей измерительной зоны, представляющей общий участок двух пересекающихся потоков освещенной зоны

(фиг.2), Если частица попадает в один из потоков освещенной зоны, сигнал формируется на выходе только одного из фотоприемников. Одновременное формирование

сигналов с двух фотоприемников не означает равенство их амплитуд. Амплитуды сигна- лов равны при попадании частицы одновременно в два сфокусированных потока, причем в участки с одинаковой интенсив0 ностью. Если частица попадает одновременно в два потока, но в участки с разной интенсивностью, формируются одновременно два сигнала с разной амплитудой. Задавая допуск на различие амплитуд

5 двух сигналов, можно фиксировать границы измерительной зоны, а меняя его, регулировать размеры этой зоны. В качестве анализируемого сигнала при этом выбирается сигнал с большей амплитудой, так как он

0 наиболее полно отражает размер частицы по причине получения его от участка светового потока с большей интенсивностью.

Электрические сигналы с фотоприемников 9 и 10 подаются на регулируемые усили5 тели 34 и 35. Коэффициент усиления этих усилителей меняется в зависимости от величины напряжений, подаваемых на их управляющие входы с выходов фотоприемников 7 и 8. При помощи усилителей осуществляет0 ся подстройка амплитуд сигналов при изменениях мощности лазеров и тем самым i исключаются связанные с этим погрешности. С выходами усилителей связаны фильтры 36 и 37, которые за счет фильтрации

5 сигналов дают возможность повысить отно; шение сигнал/шум. Сигналы с выходов фильтров поступают в анализатор 38. В анализаторе сигналы оцифровываются и их коды через буферные регистры памяти и

0 интерфейс передаются в персональную ЭВМ .(анализатор выполнен на базе анало- го-цифрового преобразователя, буферных регистров памяти, интерфейса и персональной ЭВМ). В ЭВМ коды обоих сигналов срав5 ниваются в пределах заданного допуска и если различие допустимо, выбирается наибольший из кодов, который и подлежит дальнейшему анализу. Далее определяется соответствие кода линейному размеру час0 тицы в микрометрах и отнесение его к соответствующему диапазону искомого распределения размеров частиц. При прохождении новой частицей измерительной зоны операции с сигналами в анализаторе

5 повторяются. Анализатор работает в течение интервала времени, задаваемого при помощи внутреннего таймера ЭВМ, что позволяет определять концентрацию частиц в определенном объеме исследуемой среды, прокачиваемой через узел прокачки с постоянной скоростью. Анализатор не обрабатывает сигналы, различие амплитуд которых превышает заданный допуск. Величина допуска задается программным путем в ЭВМ анализатора и может меняться, что позволяет регулировать размеры измерительной зо- ны. Т.е. измерительная зона в приборе формируется за счет пересечения перетяжек сфокусированных световых потоков и задания допуска на различие сигналов. Анализатор может быть организован и иным образом без персональной ЭВМ, но выполняемые им операции не изменятся.

Предлагаемый прибор для определения размеров частиц имеет более высокую точность измерений по сравнению с известными. В приборе измерительная зона образуется за счет получения участка пересечения перетяжек сфокусированных световых пучков, фиксация границ этого участка заданием допуска на различие амплитуд сигналов, получаемых на выходах двух интерферометров, и выбора наибольшего из них, что обеспечивает формирование наиболее равномерно освещенной измерительной зоны и существенное уменьшение связанных с этим погрешностей. Так как в интерферометрах совмещаются равные по интенсивности и одинаково пространственно обернутые потоки, а щели диафрагм расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии сигналов не освещены, что обеспечивает снижение уровня дробовых шумов и шумов лазеров, величина которых зависит от величины падающего на фотоприемник потока. Каждый фотоприемник регистрирует сигналы с двух выходов интерферометров, что дает удвоение амплитуды сигналов. Кроме этого, амплитуда каждого сигнала представляет собой сумму амплитуд сигналов: инвертированного ослабления и двух рассеяния в перпендикулярных направлениях, что также увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов и уменьшает влияние на них природы частиц.

Преимуществами прибора для определения размеров частиц являются также возможности регулировки размеров измерительной

зоны путем изменения допуска на различие сигналов с двух интерферометров (это позволяет уменьшать измерительную зону и определять высокие концентрации частиц) и

реализации его конструкции без особых трудностей.

Прибор для определения размеров частиц может найти широкое применение при контроле жидких и газообразных сред.

Формула изобретения

Прибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в

предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной плоскости его объективов, и фотоприемник, анализатор, фильтр, подключенный к входу

анализатора, о т л и ч а ю щи и с я тем, что. с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно расположенные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлучевой интерферометр, в предметном плече которого установлена вторая телескопическая система перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также и в общей фокальной плоскости

объективов второй системы, и второй фотоприемник, второй фильтр, подключенный к второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха-Цендера, в опорные плечи интерферометров введены

телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих эти системы объективов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и выходы

оптически сопряжены на чувствительных площадках соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управляемые усилители, управляющие входы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически связанных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.

i if4e№

,T ii Г71

1.Й1

/3

,

i,i,

, ;.,,. -

-Щ|ИгЪ

- I : i fi I - X 4 .Jw

Сущность изобретения: прибор содержит две идентичные оптические схемы, каждая из которых состоит из последовательно расположенных лазера, отклоняющего зеркала, светоделителя, коллиматора, двухлуче- вого интерферометра, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды, в опорном - телескопическая система с компенсатором, а его выходы объединены через две диафрагмы, два зеркала, прямоугольную отражательную призму и приемный объектив на один фотоприемник, который через регулируемый усилитель и фильтр подключен к общему двухвходовому анализатору, дополнительно два фотоприемника, оптически со- пряженных со светоделителями и соединенных с управляющими входами регулируемых усилителей, причем телескопические системы в предметных плечах обоих интерферометров перпендикулярны и имеют общий узел прокачки, а интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера. 3 ил. on С