Устройство для определения инди-КАТРиС РАССЕяНия диСпЕРСНОй СРЕды Советский патент 1981 года по МПК G01J1/16 

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДИКАТРИС РАССЕЯНИЯ ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЫ

I

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано дл измерения размеров и оптических свойств частиц во взвеси, в том числе при быстропротекающих процессах, по полной матрице рассеяния.

Известно устройство обеспечивающее получение круговой индикатрисы рассеяния при помощи экспонирования фотопленки, размещенной в цилиндрической кассете, внутри которой расположен, исследуемый объект, а зондирующий луч проходит в плоскости кассеты через ее центр 1 .

Устройство позволяет зафиксировать одно, интегральное за время зкспозиции, значение индикатрисы. Временное разрешение такого устройства крайне мало, так как ограниче- но временем экспозиции и перезарядки.

Известно также устройство, в котором рассеянное излучение воспринимается нспосредстпенно фотоприемникамиСФЗУ), зафиксированными под соответствующими углами к зондирующему лучу 2 ,

Такое устройство, обладая высоким временным разрешением, не обеспечивает достаточной точности измерений при исследовании целого ряда объектов, Например, при измерении индикатрис рассеяния светоэрозионной плазмы, различного рода пробоев необходимо

10 измерять излучение рассеянное вперед под малыми углами к зондирующему лучу с большим разрешением по углам например, в диапазоне 0,5 -f 5с шагом 0,5°). Подобные устройства не обладают

ts такой возможностью. Кроме того, снижает точность измерений существенная временная нестабильность ФЗУ при значительной нендентичности характеристик различных экземпляров

20 ФЗУ и больщом количестве измерительных каналов. Установка обладает большими габаритами и неудобна в обслуживании. Более стабильные чем ФЗУ приемники, например кремниевые фото диоды, обладают меньшей чувствитель ностью и не могут обеспечить достаточной точности измерений по всем углам рассеяния. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащее источник коллимированного излучения, установленные по ходу излучения оптическую систему сканиро вания и.фотоприемник. Оптическая сис тема сканирования выполнена в виде коленчатой трубы, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной к направлению зондирующего луча и проходящей через ось этого луча, причем приемный зрачок расположен на перемещающемсй кон це трубы, а фотоприемник - на фиксир ванном З . Прибор выполнен для визуальнь1х измерений методом сравнения, однако без внесения принципиальных измерений в конструкцию он может быть полностью автоматизирован. Тем не менее и в таком модернизированном исполнении прибор не может обеспечить совокупность требований, предъявляемых при исследовании объектов.Угловой диапазон измеряемых прибором индикатрис составляет 16т164 . При малых радиусах вращения приемного зрач ка прибор не обеспечивает необходимой точности измерений, так как не позволяет ПОЛУЧИТЬ точного УГЛОВОГО разрешения, при больших радиусах (50 не ооеспе ивает нужного временного р решения, так как скорость вращения коленчатой трубы соответствующего размера практически не может быть доведена до необходимой(200т2000 об/ Цель изобретения - повьш1ение точн ти измерений индикатрис рассеяния ди персной среды. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащем источник коллимированного излучения, установленные по ходу излучения оптическую систему сканирования и фотоприемник, оптичес кая система сканирования выполнена в виде расположенных по касательным к эллипсу и перпендикулярных его плоскости плоских зеркал и зеркала, установленного с возможностью вращейия вокруг оси, перпендикулярной к Ълоскости эллипса и проходящей через 24 один из его фокусов, под углом 45 к этой оси, причем соотношение размеров полуосей эллипса (а, в)и размера дисперсной среды DO в плоскости эллипса должно удовлетворять неравенству (q-Vc(,. При этом дисперсная среда размещена в другом фокусе эллипса. На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - то же, вид сверху. Устройство содержит источник 1 коллимированного излучения исследуемую дисперсную среду 2, неподвижные зеркала 3, вращающееся зеркало А, фотоприемный блок, включающий в себя фотоприемник 5, круговую диа; фрагму 6 и светофильтр 7, полоса частот пропускания которого соответствует излучению источника I, регистрирующий блок 8, состоящий из впалогоцифрового преобразователя и блока памяти. Элементы устройства установлены таким образом, что ось зондирующего луча, генерируемого источником 1, лежит в плоскости эллипса и проходит через его фокус геометрический центр исследуемой области дисперсной среды 2 совпадает с фокусом горизонтальные осевые линии отражающих поверхностей зеркал 3 представляют собой касательные к эллипсу А.В. точках, являющихся центрами этих поверхностей, а сами поверхности ортогональны к плоскости . Ось вращения 00 зеркала 4 проходит через фокус 02. и ортогональна плоскости А.В. центр отражающей поверхности лежит в этой плоскости, а сама поверхность составляет угол 45 с плоскостью Д,В.А Е2 , ось фотоприемного блока совпадает с линией 00. Устройство работает следующим образом. Измеряют ту часть излучения источника 1, которая рассеяна на частицах дисперсной среды 2 в плоскостях, параллельных под углами cL (фиг. 2), заданными по условиям эксперимента и зафиксированными расположением зеркал 3. Отразившись от зеркал 3, это излучение падает на врацающееся зеркало 4 под углами р определенными относительно плоское ти ), причем ,«,,,, ()1со.1, 24t)/a)2.VH)co55i где а и в - размеры большой и малой 5--()- углы между фик-сированными направлениями рассеяния и плоскостью ,00; оСо угол между направлением зондирующего луча и плоскостью О, 0200. В каждый момент времени, когда измеряемое излучение оказывается падающим на зеркало 4 ортогонально горизонтальным линиям на его поверхности, это излучение попадает через светофильтр 7 на фотоприемник 5. Одно из зеркал 3 (фиг. 2) расположено на пути прямого излучения источ и ка 1. Отраженное этим зеркалом и ослабленное калиброванным ослабите- лем излучение в соответствующий момент времени также попадает на фотоприемник 5. Если для определенности представить зондирующий луч и исследуемую среду в виде круговых цилиндров с диаметрами Од и 0, причем ось вто7 рого цилиндра ортогональна ,j и проходит через Ц, , зеркала 3 и в виде прямоугольных отражаюишх поверхностей с вертикальными и горизон тальными размерами h. и 4 центр зеркала 4 расположенным на оси вращения 00, а диафрагму 6 - в виде круга с диаметром d, то для того, чтобы все излучение, рассеянное под каждым углом в соответствующий мо14 аЛУ-ЦОи у л л-- .«.- , мент времени, попало на фотоприемный блок, должны быть соблюдены следующи соотношения 4 31 4 i Щ V ,ft,r ,У2-{Ь /а)-гл/-1ЧЬ/а)QOiJi К - i(,a|a; i -Vl-(,

Л.

причем 1 -X «

.

1-

ITI DQ IIIOC D CO OC

AAfl lt-ai CCOs Вд/ио)(./агсс05 DA/DO AAflllC -csrctOG D / / BO )o(. qrocos T)KQ

БЛ /DO

-и/U. DO

,

VYigp

. 6 Кл

и учитывать поправки на изменение размеров и неизотропность соответственно исследуемой области и рассеянного излучения.

Установка использована при-исследовании светоэрозионной плазмы вза имодействия электромагнитного излу чения с веществом. Время сущест 1ри этом необходимо учитывать поправку, обусловленную конечной величиной телесного угла, поступающего на фотоприемник излучения. Величина этого угла определяется размерами зеркала 4, диафрагмы 6 и расстоянием между ними, а также, отчасти, размерами зеркал 3. Поэтому желательно в соотношениях (2)выполнять равенства или возможно близко к ним приближаться. Для уменьшения телесного угла сбора излучения за зеркалом 4 может быть дополнительно установлен объектив . :. Если условия (2 coблюдeны, то для любого угла оЛизмеряется излучение, рассеянное в одной и той же области, ограниченной пересечением зондирующего луча и исследуемой средьк Например, для следующих условий эксперимента; DO 20 мм, 6 мм, 1,5 мм, соблюдение условий (2)возможно при таком размещении зеркал 3, которое, в соответствии с формулами(1 )иСЗ), обеспечивает измерения при углах рассеяния близких к О, начиная от 15 , с дискретностью в 20, для углов близких к в Зт4°, для углов близких к 180°- в Т наибольшая для данного примера). Минимальное расстояние между зеркалами сканирующей системы и центром исследуемой области л190 мм. Дискретность для углов в районе 180 можно .уменьшить, приняв, например, а 800 мм при сохранении остальных .условий эксперимента, в том числе и расстояния 559 мм. При этом допустимый начальный угол измерений оказывается равным 15 ,. дискретность в районе - 20, в районе 90°- , в районе 4, b« 572,3 мм; 1, cr--Va -b 240 мм. При необходимости размеры зеркал можно выбирать меньшими, чем это обусловлено соотношениями (2) При этом надо собтводать условия 7 вования плазмы 30 Mc, мм. В к честве источника зондирующего излуче НИИ использован лазер ЛГ-136 с мощностью излучения ПО мВт, мм, длр вращения зеркала 4 - двигатель ЦГ-2А со скоростью вращения 350 об/с в фотоприемном блоке - фотоумножител ФЭУ-51 и интерференционный светофильтр на длину волны 0,633 мкм с полосой пропускания 20 j, излучение в диапазоне углов 1-гв после отра-, жения от зеркал 3 ослаблено нейтраль .ным светофильтром с Коэффициентом пр пускания: 1:250. Если зеркало 4 установить так, чт его центр смещен относительно оси вращения 00 в направлении, ортогональном горизонтальным линиям зеркала, на {расстояние, превьшающее величину(Й4)/4/ и при соблюдении всех условий, оговоренных в формуле и описании, то поперечное сечение развернутого во времени измеряемого излучения на участке от зеркала 4 до фотоприемника 5 представляет собой не круг, как в приведенных вьше примерах, а кольцо. При этом излучение, соответствующее различным с , оказывается разнесенным в пространстве, что дает возможность обрабатывать его селективно. Например, можно использовать то обстоятельство, что за врем одного оборота зеркала 4 на ЗбО излу чение,.рассеянное в диапазоне углов от О до ISO, может быть измерено дважды. Применяя многочастотный источник I и два светофильтра 7, обеспечивающих пропускание на 2-х различных частотах зондирукяцего излучения и установленных так, что каждый перекрьшает только одну часть кольца, соо ветствущую одной из последовательных разверток в интервалах углов от О до 180 или от 180 до о, можно последова тельно измерять индикатрисы на этих двух частотах. Такие измерения позволяют, например, находить оптические константы вещества рассеиваюпщх частиц или определять спектроразмеры частиц дисперсной фазы двумя независимыми способами. Измерение прямого излучения зондирующего источника при каждом изме28рительном цикле, позволяет непрерыв но определять поправку на совместное изменение во времени чувствительности фотоприемника и яркости эоцдирующего луча, что является, в частности, предпосьшкой эффективного использования такого высокочувствительного прибора как ФЭУ. Осуществление такого контроля предоставляет возможность удаления на. значительные расстояния йс-. точника излучения и фотоприемиого блока от исследуемой среды. Кроме того, существенное повышение точности измерений по сравнению с известными устройствами обеспечивается в тех слу-чаях, когда предоставляется возможность локализовать единую область излучения для всех измеряемых углов рассеяния. Формула изобретения Устройство для определения индикатрис рассеяния дисперсной среды, содержащее источник коллимированного излучений, установлеииые по ходу излучения оптическую систему сканирования и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оптическая система сканирования выполнена в виде расположенных по касательным к эллипсу и перпендикулярмых его плоскости плоских зеркал и зеркала, установленного с / возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эллипса и проходящей через один из его фокусов, под углом 45 к этой оси, а исследуемая дисперсная среда размещена в другом , причем соотношение размеров полуосей эллипса(а, в) и размера дисперсной среды DO в плоскости Эллипса должно удовлетворять неравенству (а - T/d -Ь ) Do- Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Иванов А. П. Оптика рассеивающих сред. Минск, Наука и техника, 1969, с.17. 2.Ритын Н. Э,, Лазарев В. П. Нефелометр для измерения индикатрис рассеяния света в воздухе. ОМП, 1959, №2,.с. П(прототип).

9(/г. г