Способ дисперсионного анализа взвешенных частиц и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к технике исследования коллоидных и физико-химических свойств веществ и может быть использовано для анализа дисперсного состава частиц, в системах контроля и защиты окружающей среды от загрязнений, а также в метеорологии, медицине и химической промышленности для дисперсионного анализа твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе.

Цел:- изобретения - повышение информативности и точности способа дисперсионного анализа взвешенных несферических частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дисперсионного анализа взвешенных частиц, заключающемся в том, что частицы освещают параллельным пучком света, измеряют интенсивность света, рассеянного частицами под малыми углами вперед, и рассчитывают функцию распределения частиц по размерам, воздействуют на частицы внешним ориентирующим полем и раздельно измеряют интенсивность света для частиц,ориентированных вдоль направления пучка света максимальными и минимальными диаметрами. Кроме того, цель достигается и тем, что воздействуют на частицы электрическим полем

00

о о

со

ю

прямоугольных униполярных импульсов, напряженность и частота которого обеспечивает ориентацию частиц без их диффузии и электрофореза при наличии поля и дезориентацию частиц при отсутствии поля.

Поставленная цель также достигается и тем, что устройство для дисперсионного анализа взвешенных частиц, содержащее источник света и последовательно расположенные вдоль оптической оси коллиматор, систему калибрующих диафрагм, камеру рабочего объема, приемный объектив и соединенный с регистратором через усилитель сигналов фотоприемник с диафрагмой на его входе, установленный на расстоянии, равном фокусному, от приемного объектива с возможностью перемещения в фокальной плоскости, дополнительно.снабжено высоковольтным генератором, двуполярным i переключателем направления поля и охва- тывающей рабочей объем квадрупольной системой электродов, в двух противолежащих электродах, расположенных вдоль оси, выполнены щелевые вырезы для прохождения света, пары противолежащих электро- дов поочередно подключены через двуполярный переключатель направления поля к высоковольтному генератору, причем один из электродов подключенной пары соединен с выходом высоковольтного генератора прямоугольных импульсов, а другой - с заземленной шиной, с которой соединен генератор, усилитель сигналов выполнен стробируемым, а его управляющий вход подключен че рез последовательно соединенные фазосдвигающее устройство и генератор-одновибратор к выходу синхроимпульсов высоковольтного генератора.

Именно заявленное размещение квадрупольной системы электродов, соединен- ных с высоковольтным генератором прямоугольных импульсов с обеспечением ориентации системы частиц в направлении световой оси сначала длинными, а затем короткими осями, а также выполнение изме- рительного тракта стробируемым, обеспечивает согласно способу возможность измерения малоуглового светорассеяния в моменты полной ориентации системы взвешенных частиц и тем самым достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

На фиг.1 представлена блок-схема уст- ройства для реализации способа дисперсионного анализа взвешенных частиц; на фиг.2 - осциллограммы протекающих в устройстве импульсных процессов: а) - высоко- вольтные прямоугольные импульсы

напряжения, поступающие на электроды; б) - сигнал фотоотклика при вертикальном электрическом поле, в) - сигнал фотоотклика при горизонтальном электрическом поле, г) - импульсы, поступающие на управляющий вход стробируемого усилителя; на фиг.З представлены индикатрисы малоуглового светорассеяния Е f( o°) - для горизонтального электрического поля (кривая 1) и для вертикального электрического поля (кривая 2).

Устройство для дисперсионного анализа взвешенных частиц содержит источник 1 белого света, снабженный коллиматором 2. На оси источника 1 расположены система 3 калибрующих диафрагм, камера 4 рабочего объема, приемный объектив 5 и фотоприемник 6 с диафрагмой 7 на входном отверстии. Фотоприемник 6 установлен на расстоянии, равном фокусному, от приемного объектива 5 и имеет возможность перемещаться в фокальной плоскости. Фотоприемник б соединен со входом усилителя 8 сигналов, выход которого поступает на вход регистратора 9. В камере 4 рабочего объема размещена квадрупольная система электродов, образованная двумя парами плоских противолежащих электродов 10-11 и 12-13. Электроды 12-13 выполнены со щелевыми вырезами для прохождения светового потока от источника света 1. В зависимости от положения сдвоенного двуполярного переключателя 14 одна из двух пар электродов присоединяется к выходу генератора 15 прямоугольных импульсов, образуя емкостную нагрузку генератора, при этом один электрод соединяется с землей (10 или 12). Выход синхроимпульсов генератора 15 через генератор - одновибратор 16 и фазосдвигающее устройство 17 соединяется с управляющим входом стробируемого усилителя 8.

Способ осуществляется следующим образом.

При анализе взвешенных несферических частиц коллиматор 2 образует параллельный луч света от источника 1, который калибруется при прохождении системы 3 калибрующих диафрагм и зондирует дисперсную систему, заключенную в камере 4 рабочего объема, ограниченного системой электродов. За камерой 4 расположен приемный объектив 5, собирающий параллельные лучи в плоскости изображения, где находится диафрагма 7, пропускающая лучи в Малом телесном угле. Непосредственно за диафрагмой 7 расположен фотоприемник 6, сигнал с которого усиливается усилителем 8 и поступает на регистратор 9. При включении высоковольтного генератора 15 прямоугольных импульсов на пластины квадру- польной системы электродов через переключатель 14 подаются высоковольтные прямоугольные импульсы (фиг.2а), в поле которых протекает периодический процесс ориентации частиц. Ориентация частиц происходит под действием постоянного и наведенного дипольных моментов частиц и определяется временем установления тч, характерным для данной системы частиц и зависящим от размеров частиц, составляющих систему, и от их коэффициентов вращательной диффузии Д. С выключением ориентирующего поля (окончание высоковольтного импульса начинается спад электрооптического эффекта, также определяющийся размерами частиц системы и характеризующийся временем спада та (фиг.2б). Исходя из наличия времени т 1 и Т2 должны быть выбраны период Т и длительность t высоковоль- тных ориентирующих импульсов, Их выбирают таким образом, чтобы система частиц полностью успевала ориентироваться в течение импульса, а также.полностью раз- ориентировалась под действием теплового движения молекул дисперсионной среды в промежутке между импульсами. Для частиц микронных размеров значения периода Т и длительности высоковольтных импульсов равны обычно десяткам и сотням миллисекунд. Амплитуда ориентирующих импульсов U, необходимая для полной ориентации таких частиц в воздухе обычно равна нескольким киловольтам, а напряженность ориентирующего поля - нескольким кВ/см. Перемещая диафрагму 7 совместно с фотоприемником 6 перпендикулярно осевому лучу, можно регистрировать свет, рассеянный под разными углами, т.е. снимать индикатрису малоуглового светорассеяния. Так как для частиц несферической формы угловое распределение света Е f( cp°) существенно зависит от их ориентации относительно светового луча, а в области малых углов такие частицы рассеивают свет как шары равного сечения, то ориентируя частицы вдоль светового луча, или поперек его, подачей высоковольтных ориентирующих импульсов соответственно на пластины 12-13 или 10-11 квадрупольной системы электродов и регистрируя свет, рассеянный под разными углами в моменты полной ориентации частиц, мы получим две малоугловые индикатрисы рассеяния света системой несферических частиц, соответствующие максимальному и минимальному сечениям рассеяния этой системы. На основе этих индикатрис производится расчет по формулам, выведенным из теории рассеяния Ми,

в результате которого получают две функции распределения частиц по размерам, соответствующие размерам максимального и минимального (по площади) сечения частиц,

или размерам длинной и короткой осей частиц. Для осуществления измерения рассеяния света именно в момент полной ориентации системы частиц, усилитель 8 выполнен стробируемым. Процесс усиления и

измерения светорассеяния происходит в момент прихода на управляющий вход усилителя 8 стробимпульса 1)Строб(фиг.2, г), длительность которого ti выбирается из условия ti t/10, а время прихода импульса т.2 относительно.фронта высоковольтного импульса определяется из условия t2 Г1 и задается регулировкой фазосдвигающего устройства 17.

Пример. Поток взвешенных частиц

NaCI пропускается через рабочий объем устройства, расположенный между квадрупольной системой электродов, на которые подаются ориентирующие высоковольтные прямоугольные импульсы типа меандр амплитудой восемь кВ с периодом следования 0,2 с и длительностью импульсов 0,1 с. На фиг.З изображены малоугловые индикатрисы рассеяния света частицами, ориентированными вдоль (кривая 1) и поперек (кривая

2) световой оси. Этим индикатрисам соответствуют распределения частиц по размерам со средними значениями 3 и 5,6 мкм. Погрешность измерения составляет не более 10% и хорошо согласуется с данными

микрофизических измерений. Погрешность измерения известным способом превышает 40%. Таким образом, регистрация индикатрисы малоуглового светорассеяния в моменты полной ориентации системы

несферических частиц позволяет:

1. Повысить точность измерения из-за уменьшения погрешностей, вносимых хаотическим расположением частиц в пространстве.

2, Повысить информативность измерений за счет получения дополнительной информации о форме частиц и их максимальных и минимальных размерах.

Формула изобретения

1. Способ дисперсионного анализа взвешенных частиц, заключающийся в том, что частицы освещают параллельным пучком света,.измеряют интенсивность света,

рассеянного частицами под малыми углами вперед, и рассчитывают функцию распределения частиц по размерам, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности и точности при исследовании

твердых анизодиаметрических частиц, воздействуют на частицы внешним ориентирующим полем и раздельно измеряют интенсивность света для частиц, ориентированных вдоль направления пучка света максимальными и минимальными диаметрами.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что воздействуютна частицы электрическим полем прямоугольных униполярных импульсов, напряженность и частота кото рого обеспечивают ориентацию частиц без их диффузии и электрофореза при наличии поля и дезориентацию частиц при отсутствии поля.

3. Устройство для дисперсионного анализа взвешенных частиц, содержащее источник света и последовательно расположенные вдоль оптической оси коллиматор, систему калибрующих диафрагм, камеру рабочего объема, приемный объектив и соединенный с регистратором через усилитель сигналов фотоприемник с диафрагмой на его входе, установленный на расстоянии, равном фокусному, от

приемного объектива с возможностью перемещения в фокальной плоскости, отличающееся тем, что оно снабжено высоковольтным генератором, двуполярным переключателем направления поля и охватывающей рабочий объем квадруполь- ной системой электродов, в двух противолежащих электродах, расположенных вдоль оси, выполнены щелевые вырезы для прохождения света, пары противолежащих электродов поочередно подключены через двуполярный переключатель направления поля к высоковольтному генератору, причем один из электродов подключенной пары соединен с выходом высоковольтного генератора прямоугольных импульсов, а другой - с заземленной шиной, с которой соединен генератор, усилитель сигналов выполнен стробируемым, а его управляющий вход подключен через последовательно соединенные фазосдвигающее устройство и генератор-одновибратор к выходу синхроимпульсов высоковольтного генератора.

Сущность изобретения: освещают ани- зодиаметричные частицы коллимирован- ным пучком света, воздействуют на частицы внешним ориентирующим полем и раздельно измеряют интенсивность рассеянного света для частиц, ориентированных вдоль направления пучка света длинными и короткими осями. 2 с.п. и 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

Фчг. 1.

Фи. 2