Устройство для определения размера аэрозольных частиц Советский патент 1982 года по МПК G01N15/07 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно к измерениям концентрации и распределения частиц по размерам в дисперсных средах, и может быть использовано при измерении эффективности фильтрующих материалов и устройств, а также в медицинской промышленности и др. для контроля чистоты воздуха и технологических газов.

Известно устройство для с)пределения размера и концентрации аэрозольных частиц, содержащее последовательно расположенные осветитель, рабочую кювету с системой прокачки аэрозоля, оптическую собирающую систему, диафрагму и фотоприемник.

При прокачке потока аэрозоля диаметром 1,0 мм через пучок света от осветителя диаметром 1,2 мм образующаяся фигура пересечения является рабочим объемом Vp . Свет, рассеянный частицей при пересечении Vp , собирается оптической системой в телесном угле 60°, фокусируется через диафрагму на фотоприемник и преобразуется в импульс напряжения, амплитуда которого определяет размер частицы. Основным условием правильного определения размера частицы по атяплитуде импульса является высокая равномерность освещения Vp .

К недостаткам этого устройства относится то, что при глубине Vp , равной 1,0 мм, и диаметре луча света 1,2 мм интенсивность освещения частиц от максимальной в центре Vp уменьшается почти до нуля, на периферии рабочего объема и поэтому снижа10ется точность измерения аэрозольных частиц. .:-

Наиболее близким по технической сущности является устройство для

15 определения размера аэрозольных

частиц, которое содержит расположенные последовательно осветитель, рабочую кювету с системой прокачки аэрозоля, оптическую собирающую систему, светоделительную призму, прозрачный экран с непрозрачной пластинкой на нем, установленный в плоскости резкого изображения оси потока аэрозоля оптической собирающей системой, фотоприемник, соединенный с первым входом электронного ключа, второй вход которЬго соединен с вторым фотоприемником, расположенным по ходу луча, отраженного светоделител 30ной призмой С2. При пересечении частицей рабочег объема поток рассеянного света, собранный оптической собирающей систе мой, попалает на ев е то дели те ль ну to призму, пропускающую под прямым углом 50% излучения на фотоприемник, который регистрирует все частицы, пересекающие Vp т.е. измеряют общую концентрацию; 50% излучения про ходит на второй фотоприемник, перед которым установлен экран с непрозра ,НОЙ пластинкой, закрепленной вертикально. Когда резкое или нерезкое изо- v бражение частищл частично или полностью попадет на фотоприемник,: то на нем появляется сигнал, свидетельствующий о том, что частица в рабочем объеме движется вне выделяемой зоны. Этот сигнал поступает на электронный ключ и запрещает регистрацию импульса от такой частицы. При таком оптическом способе в р бочем объеме формируется зона в виде, ромба, вытянутогоВ направлении оси оптической собирающей системы. Меньшая диагональ ромба равна ширине непрозрачной пластинки, деленной на увеличение оптической системы, а большая диагональ - удвоенному расстоянию от резкой частицы до нерезкой, у которой размер кружка нерезкости равен меньшей диагонали ромба. К недостаткам: этого устройства о носится ТО, что .формируемая измерительная зона сильно вытянута по глу бине VP, а именно в этом направлени у большинства счетчиков имеет место наибольшая неравномерность освещени отсутствует возможность регулировки объема выделяемой зоны, величина зо ны для мелких частиц больше, а для крупных меньше/ в результате при анализе происходит обогащение спектра мелкими частицами и обеднение крупными. Цель изобретения - повышение точ ности измерения размеров частиц в дисперсных средах. Поставленная цель достигаетс.я тем, что в устройстве для определения размера аэрозольных частиц, содержащем расположенные последовательно осветитель, рабочую кювету с системой прокачки гаэрозоля, оптическую собирающую систему, светоделЛельную призму, прозрачный экра на поверхности которого расположёна непрозрачная пластинка, установленная в плоскости резкого изображе ния оси потока аэрозоля оптической собирающей системой, первый фотопри емник, соединенный4 с первым- входом электроннрго ключа, второй вход которого соединен с вторым фотоприемником, расположенным по ходу луча, отраженного светоделительной призмо епрозрачная пластинка выполнена пряоугольной и установлена горизонально, а между первым входом элекронного ключа и первым фотоприемниом введен дискриминатор импульсов о длительности провалов, причем орог дискриминации ty связан с разерами непрозрачной пластинки следущим соотношением 2Qh - иSAf де h высота непрозрачной прямоугольной пластинки; глубина выделяемой измерительной зоны в потоке аэро- золя; относительное отверстие оптической собирающей системы;фокусное расстояние системы ; увеличение; скорость потока аэрозоля; расстояние от оптической собирающей системы до оси потока аэрозоля. На фиг., 1 приведена оптическая схема устройства для измерения размера аэрозольных частиц; на фиг.2 4 оптическая схема регистрации частиц, пересекающих освещенный рабочий объем; на фиг.З - траектории движения резкой нерезкой частиц. , Устройство состоят из расположенных последовательно осветителя 1, рабочей кюветы 2 с системой 3 прокачки аэрозоля, оптической системы 4, собирающей рассеянный частицами свет при пролете их через рабочий объем, светоделительной приЪмы 5, которая расщепляет падающий на нее свет от оптической системы на два пучка проходящий и отраженный, прозрачного . экрана 6 с непрозрачной прямоугольной пластинкой, установленной на экране Горизонтально в плоскости резкого изображения оси потока аэрозоля, фотоприемника 7, регистрирующего проходящий через призму 5 рассеянный частицами свет, дискриминатора 8 импульсов по длительности провалов, сигнал с которого поступает на первый вход электронного ключа 9 (работающего как схема совпадения), второй вход которого соедине н с вторым фотоприёмником 10, регистрирующим отраженный светоделительной призмой 5 рассеянней свет. Цилиндо 11 представляет собой фигуру пересечения освещающего пучка света (от осветителя) диаметром D с потоком аэрозоля диаметром d в рабочей кювете и является рабочим объемом. Собирающая оптическая система 4 собирает рассеянный частицами свет при пролете их в Vp и фокусирует его . через непоказанную на рисунке светод лительную призму на прозрачный экра б с непрозрачной горизонтальной пря моугольной пластинкой, который нахо дится в плоскости Р резкого изобра жения оптической системой 4 оси потока аэрозоля 0, лежащей в плоскос ти Р. Пластинка б частично закрывает наисодящийся за яей торец фотопри емника 7, который преобразует посту пающие на него импульсы света в импульсы напряжения и подает их на дискриминатор 8 и далее на первый вход электронного ключа 9. Устройство работает следующим образом. При прокачке потока аэрозоля через рабочий объем 11 частицы, движущиеся в плоскости Р, проектируются оптической собирающей системой 4 на экран 6 с прямоугольной пластинкой и дают на нем резкие изображения дви жущихся в рабочем объеме Vp частиц, диаметр которых не более сЛр . Резкие изображения дадут также частицы, движущиеся за плоскостью На расстоянии от нее не более t , равном задней глубине резкости оптической системы 4, Q Р в частицы, движущиеся перед плоскостью Р на расстоянии от нее не более t(j, равном передней глубине резкости. ЭР где ВЗР - диаметр зрачка оптической системы 4. Все частицы, движущиеся вне зоны, заключенной между плоскостями Р и P,j, дадут нерезкие кружки рассеяния.. На фиг.З показаны траектории дви жения резкой (1) и нерезкой (П) частиц по экрану б с расположенной на нем непрозрачной прямоугольной пластинкой размером , где 1 - дли на, а h - высота непрозрачной прямо угольной пластины. При прокачке аэрозоля через Vp резкое изображение частицы диаметром двигается по прозрачному экрану бис находящегося за ним фотопpиe ftникa снимается импульс. При пе ресечении резким изображением частиц непрозрачной пластинки высотой h на импульсе появится провал длительнос тью t,-tL где и - скорость прокачки аэрозоля. Нерезкое изображение частицы при пересечении пластинки б также даст . провал, длительность которого bjl, меньше -п- тпг Таким образом, с помощью прямо голь ной непрозрачной пластинки 6 /дается связать координату пролета частицы в VP сПараметрами импульса эт нее. Если теперь , с помощью вреденногЬ анализатора, пропускающего На электронный ключ импульсы с дли-, -ft гельностью провалов ТГ (т.е. с порогом дискриминации Тд , равным fp ), регистрируем только резкие частицы, то формируется в общем рабочем объеме плоская измерительная зона, заключенная в узком пространстве между плоскостями Р и P(j, в пределах которой обеспечивается высокая равномерность освещения и глубина которого д5 равна -1- +1- - Р3|, ГС-) --t + t,- (5) Зр Р или через относительное отверстие оптической системы А Д5 20 . Лодставив в полученноевыращение (6J значение ffp - (b-fnU-f /pi , получим уравнение, связывающее глубину изме-рительной зоны лЗ с порогом дискриминации Т временного дискриминаторалс; 2QCh ) А-± -fS Таким образом, непрозрачная прямоугольная пластинка определенных размеров, установленная горизонтально, и временной дискриминатор, порог которого связан с .высотой непрозрачной пластинки соотношением (7),создает новое качество - формирует в общем VP, плоскую чувствительную зону с высокой равномерностью освещения, что повышает точность измерения размеров частиц. П Р .и м е Р . В, качестве примера рассмотрим лучший образец счетчик АЗ-5, имеющий диаметр потока аэрозоля 1 мм, фокусное расстояние 15 мм, относительное отверстие 1:1,5, расстояние от объектива до оси потока аэрозоля 20 KJM, увеличение 1 и высоту пластинки 0,5 мм. Длительность провала на импульсах от частиц, находящихся в зоне глубиной 0,1 мм при скорости прокачки 1 м/с, равна 2Q;h - ДЗ-А- ,5 - ОД:ГГ5-15 .„. 1066 ксДлительность провалов на импульсах от частиц на Лериферии потока и хуже освещенных равна 2-20-0,5 - 1 15. 2-20 тЮОО Следовательно, при наличии непрозрачной пластинки и временного анализатора, пропускающего на анализ частицы с длительностью провала 500 и больше, идет регистрация частиц из УЗКОЙ зоны (0,1 мм), в пределах которой обеспечивается вы,сокая равномерность и точное измере ние размера частиц. Предлагаемое устройство, имеющее высокую точность определения диспер сного состава аэрозолей, найдет широкое применение в народном хозяйст ве для контроля запыленности, а. главное, для измерений фракционной эффективности фильтрующих материалов и элементов. Измерения эффектив ности фильтрующих материалов и устройств в зависимости от размера час тиц необходимы при расчёте и .проект ровании систем .очистки воздуха и га зов и могут быть проведены предлага .емым устройствомбыстро, автоматически и с высокой точностью. Форл1ула изобретения Зстройство-для определения раз- мера. аэрозольных частиц., содержащее расположенные последовательно осветитель, рабочую кювету с -систе- мой прокачки аэрозоля, оптическую собирающую систему,светорелительную призму, прозрачный экран, на поверх ности которого расположена непрозра чная пластинка, установленная в Iплоскости резкого изображения оси потока аэрозоля оптической собирающей системой, первый фотоприемник, соединенный с первым входом электронного , второй вход которого соединен с вторым фотоприемником, расположенным по ходу луча, отраженного светоделительной призмой, о т личающе.еся тем, что, с целью повышения точности измерений, непрозрачная пластинка выполнена прямоугольной и установлена горизонтально, а между первым входом электронного ключа и первым фотоприемни.ком введен дискриминатор импульсов по длительности провалов, при этом порог дискриминации Су связан с размерами непрозрачной пластинки следующим соотношением - - 2Qh - д SAf fi А - -- QTn-|5 , где h - высота непрозрачной прямоуголыЛэй пластинки; д S - глубина выделяемой измерительной зоны в потоке аэрозоля ; А .- относительное отверстие оптической собирающей сие-. .темы; f - фокусное расстояние системы;13 - увеличение; и - скорость потока аэрозоля} Q - расстояние от оптической собирающей системы до оси потока аэрозоля. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Соколов B.C.-, Сергеев В.И. Фотоэлектрический счетчикаэрозольных частиц АЗ-5. - Электронная техника, сер.1 Электроника № 10, 1970, с.92-100. ., 2.Shuster В., Knollenberg R. Detection.and sizing of sneall pasticles in an open cavity gas laser. Appl.Opt,1972, v.II, p.1515iS20,

/

0tffJ