Устройство для измерения размеров микрочастиц в жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля твердых примесей в высокочистых жидких средах.

Известны устройства дяв измерения размеров микрочастиц в жидкости использующие регистрацию вспышек света, рассеян ног;,о микрочастицами, пересекающими освещенный счётный объем..

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автоматизированный счетчик взвешенных частиц в жидкости, Счетчик состоит из осве- . тителя собирающего объектива кюветы с исс- . ледуемой жйдкостью,в которой фокусируется излучение осветителя, собирающего Объектива, диафрагмы, фотоприемника и блока регистрации. .

. Диафрагма, размещенная в плоскости изображения луча, создаваемого собирающим объективом, вырезает в перетяжке сфокусированного луча зону - счетный объем. Свет, рассеянный микрочастицами, пересекающими луч осветителя, направляется собирающим объективом на фотоприемник и преобразуется в электрический импульс, который поступает на блок регистрации, где проходит дальнейшую обработку. Размер частицы определяется по амплитуде зарегистрированного импульса.

В условиях лаборатории один прибор используется для контроля степени очистки высокочистых жидкостей различного химического состава с отличающимися показателями преломления, что вносит дополнительную погрешность в определение размера зарегистрированной микрочастицы. Рассмотрим основные составляющие этой погрешности,

Интенсивность оптического излучения рассеянного микрочастицей определяется выражением:

(Л

С

00

о ч со со

XI

Jp.«

Jod6fm2-lf A m2+2J

О)

где а- коэффициент пропорциональности; d - диаметр микрочастицы;

Jo - интенсивность падающего излучения;

m - относительный показатель преломления частицы; о

А- длина волны зондирующего излучения в исследуемой жидкости.

Поскольку микрочастица находится в жидкости, то справедливы следующие соотношения;

(2)

где па - показатель преломления частицы; п - показатель преломления жидкости.

А АО - -- i

где АО - длина волны излучения в вакууме. Из (1), (2), (3) получаем;

10

15

20

Вид функции J0(n) определяется параметрами оптической части устройства. .

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения влияния показателей преломления исследуемых частиц и жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения размеров микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного излучения, сопряженный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объемом,и блок регистрации, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном объеме выражения;

Сущность изобретения: местоположение счетного объема, определяемое расстоянием., между задней главной плоскостью фокусирующего объектива и кюветной с исследуемой жидкостью и расположением диафрагмы относительно КЮЁВТЫ, соответствует минимуму суммы отклонений сигнала от среднего значения при исследовании различных жидкостей. 3 ил.

J0n

АО

j П2 -

Ini 4-2П2;

Из выражения (4) следует, что измерение показателя преломления жидкости приводит к изменению интенсивности рассеянного света. Так для полистирольных сферических частиц с показателем преломления ,58 интенсивность рассеянного света в воде с и серной кислоте с ,43 будет отличаться примерна в 2,3 раза.

Вторая составляющая ошибки измерения величины рассеянного сигнала возникает по причине изменения самого Jo - интенсивности излучения, воздействующего на частицу.

Рассмотрим формирование счетного объема согласно схеме установки изложен- ной в прототипе.

Осветитель создает пучок оптического излучения, который фокусируется объективом в кювете с исследуемой жидкостью и создает в счетном объеме определению интенсивность светового потока. Счетный объем определяется создаваемым собирающим . объективом изображением диафрагмы,уста- новленной перед фотоприемником. При изменении показателя преломления жидкости в кювете ход лучей изменится (пунктирная линия), что приведет к изменению диаметра пучка излучения в сечении, соответствующем местоположению счетного объема и, соответственно, интенсивности света в счетном объеме. Следовательно, можно записать:

(n).

(4)

25

-1

(6)

где ni.nj- показатели преломления, соответ30 ственно 1-й и j-й исследуемых жидкостей;

пг - показатель преломления микрочастиц,J

К - число исследуемых жидкостей, Jo(ni),J0(ni) - интенсивность излучения

35 осветителя в счетном объеме при проведении измерений, соответственно, в 1-той и j-той жидкости. Изобретение поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.

40 Устройство состоит из осветителя 1, фокусирующего объектива 2; формирующего перетяжки пучка света осветителя в кювете 3 с исследуемой жидкостью, собирающего объектива 5, установленной сзади него в

45 плоскости изображения зондирующего пучка света диафрагмы 6, фотоприемника 7, преобразующего рассеянный микрочасти4 цами свет в электрические импульсы, блока регистрации 8.

Устройство работает следующим образом.

Микрочастицы}взвешенные в исследуемой жидкости, пересекая счетный объем 4,

55 рассеивают свет, который концентрируется собирающим объективом 5 в плоскости диафрагмы 6 и регистрируется фотоприемником 7. По величине зарегистрированного фотопри1- емника сигнала определяется размер микрочастиц блоком регистрации 8.

Величина зарегистрированного фотоприемником сигнала, при пересечении микрочастицей счетного объема,, пропорциональна интенсивности рассеянного микрочастицей света. Учитывая (4) и (5) можно записать:

..d6

(n)rV

2 2 А I г ГГ

|п2+2п2

где U - величина зарегистрированного сигнала;

у- коэффициент пропорциональности. Для идеального устройства величина сигнала не зависит от показателя преломле- ния жидкости, что соответствует условию:

U const

Переписав (7) в виде: (n). S(n),

где

.d6

л| n2-n2

S(

(10)

и,продифференцировав (9), учитывая (8) 30. получим условие независимости величины сигнала от показателя преломления жидкости:.

S(n) dJo(n)-Jo(n)d.S(ri),

(П)

S(n) в выражении (11) зависит от показателя преломления исследуемой жидкости. Величина Jp(r), зависит и от параметров оптической системы устройства. Подбирая соответствующим образам расстояние от фокусирующего объектива до кюветы, а также положение счетного объема .в сфокусированном пучке можно добиться полной или частичной компенсации изменения сигнала за счет S(n) изменением интенсивности зондирующего излучения. Точного выполнения условия (11), соответствующего идеальному устройетву,м6жно добиться лишь для узкого интервала показателей преломления жидкостей. Поэтому, для реального устройства, нужно минимизировать разброс измеренных сигналов в известных жидкостях, для контроля которых применяется устройство.

Для характеристики качества работы устройства будем пользоваться суммой относительных отклонений сигналов от среднего значения при измерениях во всех видах контролируемых жидкостей. Устройство, для

которого эта величина наименьшая, будет проводить измерения с минимальными погрешностями. Следовательно, нужно подбирать расположение кюветы с исследуемой жидкостью и размещение счетного объема относительно зондирующего луча таким образом, чтобы достигло минимума выражение:

ш,1,1и -Ч.( 2)

где Uj - сигнал от частицы при измерении в

J-той жидкости;

k - число жидкостей; Uc - среднее значение сигнала. Среднее значение сигнала от частицы

равно:.

25 где щ - показатель, преломления i-той исследуемой жидкости.

Учитывая (7) и (13) можно переписать (12) в виде:

- 1

(14)

0

5

0

5

которое соответствует выражению (6).

Рассмотрим, в качестве примера, рас-, чет геометрических параметров устройства, макет которого изготовлен на предприятии. В качестве осветителя используется He-Ne одномодовый лазер, характеризующийся гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка.

Более подробно ход световых лучей показан на фиг,2.

Фокусирующий объектив с главными плоскостями Hi Hz преобразует исходный пучок в пучок, имеющий конфокальный параметр Ro и перетяжку диаметром ah на расстоянии bo от задней главной плоскости фокусирующего объектива. Если разместить по ходу светового пучка на расстоянии а от задней главной плоскости фокусирующего объектива кювету с исследуемой жид- -костью, имеющей показатель преломления п, то ход лучей изменится и перетяжка будет смещена. При этом конфокальный параметр пучка в жидкости, его диаметр в перетяжке.

ft) и положение перетяжки b удовлетворяет соотношениям

(15)

(16) .(17)

Интенсивность излучения в центре гауссова пучка определяется из соотношения:

Б

(18)

где е- коэффициент пропорциональности;

Q- диаметр пучка.

Диаметр пучка на расстоянии S от перетяжки определяется выражением:

Й

(19)

):

В рассматриваемом случае: - , -(20)

где X - расстояние от задней главной пло- бкости фокусирующего объектива до счетного объема,.

Из (15Н20) получаем:.

-(21)

GЈ + 4(х. nbo + а(1 - П))2

Подставив (21) в (7), получаем окончаьно: .

-)R2°d6 nf х o&l4 + 4(х - nbo + а(1 - п))2

2

-(21)

njUn2 п. + 2п2

-(22)

Зная показатели преломления жидкостей, которые будут исследоваться, или,, интервалу котором они находятся, используя (22), рассчитывается сумма относительных отклонений от среднего значения величины зарегистрированного сигнала для различных значений а и х (расстояния от задней главной плоскости фокусирующего объектива до кюветы и зоны регистрации). Расстояния, для которых1;, эта величина достигает минимума и выбираются в качестве рабочих.. .

На фиг.З приведены рассчитанные на ЭВМ графики зависимости зарегистрированного устройством сигнала от показателя преломления исследуемых жидкостей в интервале от 1;32 до при рассеянии на полистирольных микросферах (,58) в случае известного расположения счетного объема - кривая 1, и согласно предлагаемому устройству - кривая 2.

Для кривой 1 отношение максимального значения сигнала к минимальному равно 550, для кривой 2-1 Ј, что свидетельствует о значительном повышении точности измерений при применении предлагаемого устройства для измерения размеров микрочастиц в жидкостях.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить достоверность контроля содержания твердых

примесей в жидких средах, уменьшая погрешность измерения.

Ф о р м ула изобретения Устройство для измерения размеров

25 микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного

30 излучения, сопряженный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объемом, и блок регистрации, о т л и ч а ю ш, е е- с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния по35 казателей преломления исследуемых частиц и жидкостей, фокусирующий объектив расположён от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном объеме выражения:

45

где щ, nj - показатели преломления соответ- ственно 1-й и j-й исследуемых жидкостей;

Пг- показатель преломления микрочастиц;

к - число исследуемых жидкостей; Jo(ni),Jo(nj) - интенсивности излучения осветителя в счетном объеме при проведении измерений, соответственно в 1-й и j-й жидкостях..

f

фи. 3

,