Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц Советский патент 1981 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к технике измерения размеров и концентрации дисперсных частиц в газах и жидкостях и может быть применено в химии, метеорологии и др. Известен прибор для определения размера и концентрации взвешенных в газе или жидкости дисперсных частиц основанный на измерении.количества излучения (света), рассеянного частицами в рабочем объеме прибора, сос тоящие из излучателя (осветителя), фотоприемника излучения, гасителя мешающего излучения и амплитудного анализатора сигналов l. Недостатком известного устройства является низкая точность измерений вследствие неоднородности зондирующего излучения. Наиболее близким к предлагаемому устройству является фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц, содер жащий источник излучения, пучок кото рого пересекает поток частиц в рабочем объеме прибора, детектор рассе янного или прошедшего излучения и ан лизатор амплитуд сигналов 2. Недостатком известного устройства является неоднородность облученности освещенностиJ их рабочего объема, так как для реализации точных приборов, предназначенных для измерения TOHKOjmcnepcHHX и высококонцентрированных дисперсных частиц необходимо формировать интенсивные и сравнительно небольшие по поперечному сечению пучки света. Применение лазерных источников света обеспечивает высокую интенсивность пучка. Однако интенсивность лазерных пучков неоднородна по сечению (в центре она выше, по краям ниже) и чаще всего распределена по гауссовскому закону. Известные сравнительно простые методы формирования однородных узких пучков света и равномерно освещенных рабочих объемов не решают задачи как из-за проявления эффекта виньетирования на краях пучка, так и вследствие проявления подобного же эффекта в тракте приемника излучения. Поэтому прибегают к. механическому ограничению размеров струи дисперсных частиц, с тем чтобы частицы механически направлять строго в однородную по интенсивности часть светового пучка осветителя. Однако и этот прием не всегда дает нужные результаты особенно, если дисперсные частицы имеют широкий спектр размеров, так как появляются новые погрешности,свя занные с аспирацией и осаждением частиц в узких капиллярах. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем что в фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц, содержащий источник излучения, пучок которого пересекает поток частиц в рабочем объеме прибора, детектор рассеянного или прошедшего излучения и анализатор амплитуд сигналов, введена оптическая система, образующая дополнительный пучок меньшего, чем у первогю пучка диаметра в направлении, перпен дикулярном движению частиц, причем оптическая система установлена так, что ось дополнительного пучка пересе кается с продольной ОСЬЮ- потока исследуемых частиц вне рабочего объема в поле зрения детектора излучения и расположена над или под зоной одноро ной освещенности первого пучка, а в анализатор амплитуд сигналов введены селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени между ними, Кроме того, выход детектора излучения подключен через селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени к разрешающему и корректирую щему входам анализатора амплитуд сигнЕшову а выход измерителя интерва лов времени соединен со вторым входо селектора пар импульсов, причем селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени подключены послед вательно к разрешающему входу сигна лизатора амплитуд сигналов, В предлагаемом приборе частица, прошедшая рабочий объем, может генер ровать два световых импульса: первый при пересечении основного пучка, а второй - спустя определенное время дополнительного пучка. Но так как ; размер (диаметр) второго пучка мень ше, чем первого, то парный импульс появится только в том случае, если частица пройдет через основной пучок в строго определенных и однород но освещенных областях, Если пучок осветителя имеет гаус совый профиль, то область высокой и однор,одной освещенности имеет место /при движении частиц вблизи оси осно ного пучка. В этом случае ось допол нительного пучка должна находиться в одной плоскости с осью основного пучка в направлении движения частиц Тогда все частицы одинакового размера, генерирующие два импульса, дадут одинаковый сигнал, образованный при пересечении основногогпучка Второй сигнал играет роль вспомогательного и не подвергается амплитуд ному анализу. Другими словами, наличие последовательности из двух импульсов,разделенных определенным промежутком времени зависящим от степени разноса пучков), говорит о том, что основной сигнал от данной частицы является неискаженным и может быть подвергнут амплитудному анализу,Указанное разрешение на проведение анализа выдает дополнительный селектор пар импульсов, размещенный между фотоприемником и разрешающим входом анализатора. Введение в счетчик оптической системы, формирующей второй дополнительный пучок, позволяет реализовать еще ряд других преимуществ, а именно возможность более точного измерения концентрации частиц за счет контроля длительности паузы между импульсами в паре, возможность уменьшения ошибок измерения, связанных с виньетированием в тракте фотоприемника, а также возможность оптикоэлектронного формирования апертуры фотоприемника. Первое преимущество реализуется с помощью счетчика, у которого упомянута оптическая система размещена на выходе осветителя и выполнена, например, в виде бипризмы с диафрагмой на одном из ее выходов, а выход фотоприемника подключен также через селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени к разрешающему и к корректирующему входам анализатора, а выход измерителя интервалов времени соединен также со вторым входом селектора. Вторым преимуществом обладает счетчик, у которого оптическая система выполнена в виде вогнутой i отражающей поверхности, например сферического или параболического зеркала, установленного на выходе пучка осветителя из рабочего объема, причем фокус зеркала находится в плоскости движения частиц-, а фотоприемник также подключен через селектор и измеритель интервалов к разрешающему входу анализатора. На фиг, 1 показана функциональная схема счетчика, у которого оптическая система формирования дополнительного пучка расположена на выходе осветителя, а пучок параллелен основному на фиг, 2 - сечение А-А на фиг,1) на фиг. 3 - схема счетчика, у которого эта система расположена на выходе пучка осветителя из рабочего объема, а дополнительный пучок имеет наклон по отношению к основному. Фотоэлектрический счетчик содержит источник света 1, световой пучок 2 которого пересекает поток дисперсных частиц 3 в рабочем объеме 4(а,б),прибора. Оптическая система формирования пучков включает узел 5 разделения и ориентации пучка, узел

б уменьшения размера дополнительног пучка 7 и гасителя 8 света. Детекто 9 излучения (рассеянного или прешедшего) включен непосредственно через селектор 10 пар импульсов и измеритель 11 интервалов времени между импульсами в паре к анализатору 12 амплитуд сигналов.

Работают устройства следующим образом.

В устройстве на фиг. 1 пучок источника света 1 на его выходе делит на два параллельных пучка основной 2 и дополнительный 7 с помощью узла 5 разделения и ориентации, в качестве которого могут быть использованы полупрозрачные призмы, делительные пластинки, специальные диафрагмы и т.д. С выхода узла б уменьшения размера пучка, в качестве которого используются, например, уменьшагацие объективы, полевые диaфpaг ы и т.д. формируется узкий дополнительный пучок, направленный параллельно основному до пересечения с осью потока д персных частиц 3. (сечение А-А Обоих пучков).

Пучки света, прошедшие поток частиц, задерживаются (поглощаются) гасителями света 8. Рассеянный частицами свет из основного 4а и дополнительного 46 объема воспринимается детектором 9 излучения. Селектор па импульсов 10 идентифицирует наличие пар импульсов, разделенных заданным (нормированным) интервалом времени, близким времени Т пролета частищд между основным и дополнительным ; лучом. Такого рода функции может выполн ят ь, н апример, одн ост абиль ный триггер с линией задержки на время Т во время задающей цепи.

В этом случае, если спустя время Т второй импульс не появляется, то селектор 10 пар импульсов не дает разрешения на анализ первого (рабочего) импульса (из каждой пары импульсов) в анализаторе 12 амплитуд сигналов.

Наличие двух пучков света позволяет достичь еще одного положительного эффекта,повышающего точность измерения счетной концентрации. Показания фотоэлектрических счетчиков зависят от объемного расхода частиц аэрозоля, оперативный контроль которого представляет весьма серьезную техническую задачу, особенно если датчик находится на расстоянии от Оператора. В счетчике (фиг. 1) эту трудность можно преодолеть, контролируя степень отклонения длительности интервала между импульсами в пар© от заданного и вводя соответствующие поправки в показания счетчика. С этой целью пары сигналов, прошедшие через селектор пар импульсов,подвергаются временному анализу с помощью измерителя интервалов

времени 11, выход которого подключен к анализатору 12 амплитуд сигналов и селектору 10 пар импульсов.

Если объемный расход через прибор изменится, то соответствующим образом изменится скорость движения частиц через рабочие объемы 4а и 46 и длительность промежутка времени Т между попаданием частиц вэтиобъеь. Измеритель 11 интервалов времени определяет усредненное значение веoличины отклонения длительности паузы между импульсами в селектированных парах импульсов и выдает сигнал поправки в анализатор амплитуд сигналов и в селектор пар импульсов для

5 коррекции эталонного интервала времени.

Таким образом, наличие оптической системы (устройства 5 и 6), которая формирует дополнительный пучок меньше0го диаметра,расположенный параллельно основному в плоскости движения частиц, позволяет снизить погрешности в измерении размеров частиц (за счет селекции сигналов, от частиц, прошедших только через однородно ос5вещенную область в рабочем объеме и дополнительный пучок) и в измерении концентрации частиц за счет контро ля интервалов времени между попаданием частицы в основной и дополни0тельный рабочие объемы фотоэлектрического счетчика и введения соответствующих поправок в показание анализатора амплитуд сигналов.

Дополнительные возможности повы5сить точность измерения размеров частиц появляются, если упомянутая оптическая система формирует дополнительный пучок меньшего размера но направленный под некоторым углом к

0 основному пучку (фиг. 2).

Пучок источника света вначале пересекает поток частиц 3 дисперсных в основном счетном объеме 4а,а затем поступает в систему 5 и 6, формирующую более узкий, по отношению к

5 основному, пучок и направленный под углом к последнему. Эту функцию может выполнить, например, плоское зеркало, установленное под углом к оси основного пучка, пучок, отраженOный таким зеркалом, попадает далее на узел б изменения размера пучка и направляется под заданным углом к основному пучку через ось потока частиц в направлении на гаситель 8

5 света, образуя дополнительный счетный объем 46. Однако можно совместить функции узлов 5 и б в одном элементе, если на выходе пучка из рабочего объема установить вогнутую отражащую

0 поверхность, в частности сферическое или параболическое зеркало, фокус которого находится в плоскости потока частиц, но вне основного рабочего объема. При этом образуется на, клонный (по отношени р к ocHOBHOMvJ

5

дополнительный пучок света меньшего диаметра именно н плоскости движения частиц.

Свет, рассеянный частицами из основного и дополнительного счетных объемов, воспринимается детектором 9 излучения. Сигнал.с выхода детектора излучения поступает непосредственно в анализатор 12 амплитуд, сигналов и на селектор 10 пар импульсов, с выхода которого через измеритель 11 интервалов времени, подается на стробирующий вход анализатора 12 амплитуд сигналов для предотвращения анализа искаженных импульс в.

Фотоэлектрический счетчик обладает следующими преимуществами:

1. Способность этого счетчика селектировать пары импульсов от частицы, прошедшей только через однородно освещенную зону, сохраняется, но наличие угла наклона между пучками позволяет получить еще один положительный эффект - дополнительно повысить точность измерений размеров частиц за счет селекции сигналов от частиц, прошедших только через определенные участки вдоль оси пучка Этим самым можно достичь уменьшения ошибок из-за виньетирования в тракте фотоприемника, и, кроме того, обеспечивается возможность электрического регулирования продольного (вдоль оси пучка) размера счетного объема 2

Для селекции пар импульсов по величине паузы между ними используется тот эффект, что длительность паузы Т.будет различной для частиц, удаленных на разные расстояния от оси потока. Если длительность интервалов Т, измеренных с помощью измерителя 11 интервалов времени, укладывается в заданные рамки, то с выхода блока 11 в анализатор 12 амплитуд сигналов поступит сигнал разрешения осуществить анализ амплитуды импульса.

Последовательное соединение блоков 10, 11 и 12 позволяет, таким образом, вначале осуществить селекцию пар импульсов и, тем самым, устранить ошибки (вызванные неодно. родностью освещенности рабочего объема) , затем выявить пары импульсов, длительность паузы между которыми находится в строго определенных

пределах, и выдать сигнал разрешения на амплитудный анализ импульса (первого из- пары).

Данный фотоэлектрический счетчик позволяет повысить точность измерений.

Формула изобретения

1.Фотоэлектрический счетчик дисQ персных частиц, содержащий источник

излучения, пучок которого пересекает поток частиц в рабочем объеме прибора, детектор рассеянного или прошедшего излучения, соединенный с анализатором амплитуд сигнсшов, о т 5 личающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен оптической системой, Образукнцей дополнительный пучок меньшего, чем у первого пучка диаметра

0 в направлении, перпендикулярном движению частиц, причем оптическая сист тема установлена так, что ось дополнительного пучка пересекается с продольной осью потока исследуелих частиц вне рабочего оЗъема в поле зрения детектора излучения и расположена над или под зоной однородной освещенности первого пучка, а в анализатор амплитуд сигналов введены селектор

Q пар импульсов и измеритель интервалов времени между ними.

2.Счетчик поп.1, отличающийся тем, что, выход детектора излучения, подключен через селектор

, пар импульсов и измеритель интервалов времени к разрешающему и корректирующему входам анализатора, амплитуд сигналов, а выход измерителя интервалов времени соединен со вторым входом селектора пар импульсов.

0 3. Счетчик поп.1, отличающийся тем, что селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени подключены последовательно к разрешающему входу анализатора амплитуд сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 486251, G 01 N 15/00, опублик.

0 1876.

2.Патент США 3614231,

G 01 N 15/00, опублик. 1971 (прототип) .