Лазерный анализатор дисперсного состава аэрозолей Советский патент 1983 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера и численной концентрации микрочастиц в жидких и газообразных средах. Известен лазерный анализатор дисперсного состава аэрозолей, основанный на рассеянии и регистрации света отраженного частицей под углом 90, содержащий источник света, коллимато фокусирующий объектив, кювету, собир ющий объектив, фотоприемник и регист рирующее устройство, представляющее амплитудный анализатор импульсов .11 Недостатком такого устройства явл ется низкая чувствительйость, поскол ку рассеянный свет собирается под уг лом 90°. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является анализатор (ФС-112), содержащий источни света, например лазер, светоделитель диафрагму, фокусиру кидай объектив, капилляр, по которому протекает исследуемая жидкая среда, собирающий объектив, расположенный под углом 90° к оптической оси облучающего луча, фотоприемник, поглотитель облучающего луча, расположенный за капилляром, а также канал для калибров ки измерителя, состоящий из диафрагмы, двух поворотных зеркал, амплитудного модулятора излучения и фокусирующего объектива, с поглэщью которого часть излучения лазера через капилляр и собирающий объектив направляется на фотоприемник, а также усилитель, с помощью которого осуществляется автоматическая регулировка коэффициента усиления при калибровке измерителя, и амплитудный анализатор импульсов t25. Однако известный измеритель имеет низкие чувствительность и помехоустойчивость, что ограничивает низкий диапазон измерения размеров частиц вследствие фоновой засветки, фотоприемника, возникаювдай из-за рассеяния излучения на стенках капилляра, а также в виду того, что интенсивность рассеянного под 90° излучения на порядок и более меньме по сравнению с рассеянием вперед. Целью изобретения является пввыыение чувствительности и помехоустойчивости измерений, что позволит расширить нижний диапазон измерения раз-. меров частиц. Поставленная цель достигается тем, что в лазерном анализаторе дисперсного состава аэрозолей, содержащем лазер, светоделитель, канал изме рения, включающий диафраг, фокусирующий объектив, капилляр, через который подается исследуемая жидкость или газообразная среда, собирающий ,объектив, оптическая ось которого .расположена под углом 90 к оптической оси облучаю1:;его луча, фотоприемник, а также канал для калибровки из мерителя, состоящий из диаЛрагми,дву ПОВОРОТН1-.1Х зеркал, амплитудного моду лятора излучения и фокусирующего объ ектива, направляющего опорный луч че рез капилляр и собирающий объектив н фотоприемник, к выходу которого подключены усилитель с автоматической регулировкой, усиления, амплитудный анализатор импульсов, дополнительно установлены второй фокусирую1аий объектив, расположенный на фокусном расстоянии от центра от центра измерения, четвертьволновая пластинка, электрооптический кристалл и зеркало, которые расположены за капилляром вдоль оптической оси облучающего луча, так7.{е генератор высокой частоты и синхронный детектор, причем выход генератора соединен с электрооптическим кристаллом с возможностью подачи двух четвертьволновых напряжений, сдвинутых по фазе на 90°, а также со вторым входом сийхронного детектора, включенного между усилителем и амплитудным анализатором импульсов, кроме того, усилитель выпол нен в виде избирательного усилителя, а в качестве источника непрерывного излучения используется лазер, излучение которого линейно поляризовано в плоскости, перпендикулярной опти ческой оси собирающего объектива. На фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства; на фиг.2 зависимость переменной составляющей фотоприемника o - omcix ° изменения направления приема рассеянного излучения Ч в плоскости, перпендикулярной облучающему лучу. Устройство содерх ит лазер 1, выхо ное излучение 2 которого имеет высокук временную когерентность, светоделитель 3, делящий ЛУЧ 2 на два луча 4 и 5, диафрагмы 6 и 7, которые механически связаны между собой, поворотные зеркала 8 и 9, амплитудный модулятор 10 излучения, фокусируюиий объектив 11, капилляр 12, по которому проходит исследуемая жидкость или газообразная среда, собирающий объектив 13, фотоприемник 14, избирательный усилитель 15, два фокуси7 руюадихобъектива 16 и 17, четвертьволновую пластинку 18, электрооптическиП кристалл 19, на который подаются два сигнала, сдвинутые по фазе на 90, от генератора 20 высокой час тоты, зеркало 21, синхронный детектор 22 и амплитудный анализатор импульсов 23. Измеритель работает следующим образом. Люзер 1 излучает линейно-поляризованный ;Луч 2, который с помощью светоделитгеля 3 делится на два луча 4 и 5. Луч 5, имею1АИй интенсивность излучения намного меньше облучающего луча 4, используется для калибровки устройства.-Для этого луч 5 проходит отверстие в диафрагме 6 и, отра вившись от зеркала 8, поступает на вход амплитудного модулятора 10, с помощью которого осуществляется модуляция излучения с частотой f. Затем луч 5 разворачивается зеркалом 9 и направляется объективом 11 через капилляр 12 и собирающий объектив 13 на фотоприемник 14. Переменная составляющая фототока фотоприемника 14 выделяется избирательным усилителем 15, настроенным на частоту f. Кроме того, с помощью усилителя 15, в котором предусмотрена схема автоматической регулировки усиления (включаемая только при осуществлении цикла калибровки) , добиваются постоянной величины сигнала на его выходе вне зависимости от изменения мощности лазера, коэффициента поглощения исследуемой жидкой среды, а также степени загрязнений стенок капилляра. После цикла калибровки происходит смещение механически связанных диафрагм б и 7 таким образом, чтобы луч 5 перекрывался, а луч 4 проходил через отверстие в диафрагме 7, После этого устройство переходит в режим измерения. При этом луч 4 фокусируется объективом 16 в область измерения, которая выделяется путем ввода узкой струи жидкости или газа через капилляр 12. Причем ось капилляра 12 располагается перпендикулярна оптической оси облучающего луча 4 таким образом,что все частицы,проходящие через капилляр,пересекают равномерно освещенный объем измерения,ограниченный размером сечения капилляра. Облучающий луч 4 проходит через капилляр 12, объектив 17, расположенный на фокусном расстоянии от объема измерения, четвертьволновую пластинку 18, электрооптический кристалл 19и, отразившись от зеркала 21, которое расположено перпендикулярно оптической оси облучающего луча, опять проходит электрооптический кристалл 19, четвертьволновую пластинку 18 и затем фокусируется объективом 17 в ту же самую область измерения, огра- , ничейную капилляром 12. На электрооптический кристалл 19 от генератора 20подаются два сигнала, имеющие одинаковую частоту и равные четвертьволновые значения напряжения «U. , но сдвинутые по фазе,90 . Поэтому облучаюпдай луч, фокусирус1 ип объективом 17, линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной оптической оси сойи рающего объектива 13, и сдвинут по частоте на величину f по отно1чению к частоте излучения лазера. При прохождении жидкой или газооб разной среды через капилляр, частица попадая в область измерения, рассеивает свет, который собирается объективом 13 (оптическая ось объектива 1 перпендикулярна оптической оси облучагацего луна) и направляется на фото приемник 14. Поскольку рассеяние излучения частицей идет от двух лучей, имеющих различные частоты, и,кроме того, вектор скорости потока перпендикулярен оптической оси облучаомий лучей, то в результате оптического гетеродинирования двух рассеянных сигналов на выходе фотоприемника появляется переменная составляющая фототока на частоте f. На фиг.2 представлены результаты расчета на ЭВМ (по теории рассения Мц) зависимости амплитуды переменной составляющей фототока изменения направления приема рассеянного излучения / в плоскости, перпендикулярной облучающему лучу, из которой видно, что амплитуда переменной составляквдей сигнала имеет максимальное значение при приеме рассеянного излучения в направлении , перпендикулярном плоскости поляризации облучающих лучей. Поэтому для обеспечения максимальной чувствительности необходимо выбирать направление приема рассеянного под 90 излучения так, чтобы ось собирающего объектива 13 располагалась перпендикулярно плоскости поляризации облучающего луча 4. Переменная составляющая сигнала фотоприемника 14 выделяется и усиливается избирательным усилителем 15, настроенным н частоту f., направляется на первый вход синхронного детектора 22, на второй вход которого подается сигнал от генератора 20,-После детектирования импульсный сигнал с выхода синхронного детектора 22 поступает на вход амплитудного анализатора импульса. Устройство имеет более высокую чувствительность и помехоустойчивост что позволяет также растаирить нижний диапазон измерения размера частиц без существенного увеличения мощности лазера. 1юрмула изобретения Лазерный анализатор дисперсного состава аэрозолей, содержаний лазер, светоделитель, канал измерения, включаюшлй диафрагму. Фокусирующий объектив, капилляр, собирающий объектив, оптическая ось которого расположена под углом 90° к оптической оси облучающего луча, фотоприемник, а также кангш для калибровки, состояний из диафраг 1ы, двух поворотных зеркал, амплитудного модулятора излучения и фокусирующего объектива, направляющего опорный луч через капилляр и собирающий объектив на фоТоприемник, к выходу которого подключены усилитель с автоматической регу ировкой усиления, амплитудный,- анализатор импульсов, отличаю щ и и с я уем, что, с целью повышения чувствительности и помехоустойчивости измерений, в нем дополнительно установлены второй фокуеирукхций объектив, расположенный на фокусном расстоянии от центра измерения, четвертьволновая пластинка, электрооптический кристалл и зеркало, которые расположены за капилляром вдоль оптической оси облучанмцего луча, генератор высокой чатсоты и синхронный детектор, причем выход генератора соeдинe н с электрооптическим кристаллом, а также со вторым входом синхронного детектора, включенного между усилителем и амплитудным анализатором импульсов, причем усилитель выполнен в виде избирательного усилителя, а в качестве источника излуче.нйя использован лазер, излучение которого линейно поляризовано в плоскости, перпендикулярной оптической оси собиракяцего объектива. Источники информации, при.нятые во внимание при эксперт зе 1.Каталог фирмы Royco Instruments (аЧА), 1978, с. 2. 2.Техническое описание прибора ФС-112, выпускаемого Тбилисским НПО Аналитприбор, 1978 (прототип).

7

ш

2

Фг/г. f

31Г

270

Фаг. г