Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе

 

Использование: анализ материалов, а именно жидких сред с примесями. Сущность изобретения: на кювету с анализируемой средой направляют монохроматическое излучение лазера и принимают когерентную составляющую излучения, обратно рассеянного , путем сканирования в узком угле (около 1°) относительно направления обратного рассеяния (180°). Контроль проводят сравнением распределения интенсивности регистрируемого излучения по углу с эталонными характеристиками. Это позволяет регистрировать объемные концентрации частиц в растворе до нескольких десятков процентов , 1 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИК

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/85

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ CCCI (21) 4776743/25 (22) 03.01,90 (46) 23,04.92. Бюл. ¹ 15 (71) Ленинградский государственный университет (72) Д.В. Власов, Л,А. Зубков и В.П. Романов (53) 551.508(088.8) (56) Патент США N. 4478193, кл. G 01 N 21/17, 1985.

Патент C LUA йг 4641969, кл, G 01 N 21/1?, 1987. (54) ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ

ОБЪЕМНОГО СОДЕРЖАНИЯ ЧАСТИЦ В

РАСТВОРЕ

Изобретение относится к оптическим средствам исследования и анализа материалов и может быть применено для измерений в твердых и жидких растворах в случае сильнопоглощающих и сильнорассеивающих сред.

Известен способ контроля параметров частиц, заключающийся в том, что на среду, содержащую частицы, направляют импульсное монохроматическое излучение от лазера и измеряют коэффициент поглощения B среде оптического излучения, по которому судят о концентрации частиц.

Недостатком известного способа является его неприменимость в случае сильнорассеивающих и сильнопоглощающих сред, так как такие среды практически непрозрачны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптический

„„Я „„1728742 А1 (57) Использование: анализ материалов, а именно жидких сред с примесями. Сущность изобретения: на.кювету с анализируемой средой направляют монохроматическое излучение лазера и принимают когерентную составляющую излучения, обратно рассеянного, путем сканирования в узком угле (около

10) относительно направления обратного рассеяния (180 ). Контроль проводят сравнением распределения интенсивности регистрируемого излучения по углу с эталонными характеристиками. Это позволяет регистрировать объемные концентрации частиц в растворе до нескольких десятков процентов, 1 ил. способ контроля для измерения содержания взвешенных частиц в потоке текущей среды, заключающийся в том, что на поток текучей среды, содержащей частицы, направляют монохроматический луч света, регистрируют излучение, отраженное от поверхности потока, и излучение, рассеянное в .среде, и по величине отношения световых сигналов определяют уровень концентрации взвешенных частиц. Способ основан на том, что амплитуда излучения, отраженного от поверхности потока, линейно зависит от концентрации взвешенныхчастиц, а рассеянный в среде после многократных отражений на частицах сеет имеет постоянную амплитуду. Контроль осуществляют сравнением с эталонным.

Недостатком известного способа является неприменимость его к контролю пара1728742

10

25

35

40 метров частиц, в том числе и объемной концентрации их в сильно-рассеивающих и сильнопоглощающих средах. Известный способ применим в области преимущественно малых концентраций, где существует линейная связь между изменением показателя преломления и концентрацией частиц, и позволяет измерить некую усредненную объемную концентрацию, зависящую.как от концентрации частиц в среде, так и от их размеров и оптических характеристик.

Целью изобретения является расширеwe диапазона контролируемых сред на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие.

На чертеже изображена схема устройства, реализующая способ.

Сущность изобретения заключается в следующем. Если на границу рассеивающей .среды направить плоскую электромагнитную волну, то свет, попадая в среду, претерпевает многократное рассеяние. При этом в рассеянном свете существуют две составляющих. Одна, некогерентная, возникает за счет последовательных перерассеяний на частицах среды, причем на выходе из среды. е любом направлении она определяется суммой интенсивностей рассеянного света.

8 средах с большой концентрацией рассеивающих частиц эта составляющая представляет собой диффузное рассеяние, практически не зависящее от направления падающего света. Если обозначить через д угол между направлением падающего и рассеянного света, то для сильнорассеивающей среды отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности падающего излучения 1 (д)/1пад не зависитот 8, Иаряду с некогерентной существует когерентная составляющая рассеянного света. Если в падающем излучении выделить два произвольных луча, то для них существует такой путь рассеянного света, при котором рассеяние от обоих лучей идет по одним и тем же неоднородностям, но строго в противоположных направлениях. При этом два таких выходящих луча будут оставаться когерентными, поскольку фазовые искажения для них строго одинаковы, так как происходят на одних и тех же неоднородностях, только в противоположных направлениях, При рассеянии света в обратном направлении (по отношению к падающему лучу) в окрестности угла 00 разность фаз двух рассеянных лучей будет близка к нулю и интенсивность Iqg . рассеяния от этих двух когерентных.лучей будет определяться величиной

1и(" (E1 + Ер), где Е1 и Е2 — поля рассеяния от этих лучей.

Если Е1"-Е2 Е, то

3 2(ког) 4Е2 (1)

Интенсивность 12 " " некогерентно-рассеянного излучения определяется как сумма интенсивностей полей рассеяния этих двух лучей, т,е.

112(нек (Е12+ Е г)2Ег (2)

Из соотношений (1) и (2) следует, что интенсивность рассеяния двух когерентных лучей почти в 2 раза превосходит интенсивность некогерентного рассеяния, Дополнительные преимущества использования когерентного рассеяния выявляются в связи с влиянием свойств среды на рассеянное излучение. Некогерентное рассеяние в сильно неоднородных системах практически не чувствительно к параметрам таких систем, поэтому создает равномерный по углам рассеяния фон; Когерентное обратное рассеяние, наоборот, очень сильно зависит от свойств среды, а именно от объемной концентрации частиц, включающей зависимость от размеров частиц, и оптических свойств частиц, причем эта зависимость отражается в величине амплитуды. и полуширины распределения интенсивности обратного рассеяния, Регистрацию когерентной составляющей производят в очень узкой области углов рассеяния, составляющей+-1 относительно направления обратного рассеяния, что определяется условием когерентности. В этом случае заведомо регистрируется полное распределение интенсивности, т.е. с включением тика, так как сам пик регистрируемого излучения уже. Полученное распределение интенсивности сравнивают с эталонным распределением, в качестве которого используют аналогичную характеристику рассеяния для среды с известными свойствами. При установлении отклонения зарегистрированной характеристики от эталонной (по амплитуде пика обратного рассеяния или его полуширине) устанавливают объемную концентрацию частиц в растворе.

Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего источник 1 монохроматического излучения (лазер), установленную на пути излучения плоскопараллельную пластину 2, кювету 3 с анализируемым раствором и систему регистрации рассеянного излучения, которая включает длиннофокусную линзу 4, диафрагму 5, приемник 6, причем приемник 6 установлен с

1728742 возможностью перемещения в фокальной плоскости линзы 4 для сканирования угла рассеяния. способ осуществляют следующим образом. 5

Луч света от источника 1 (лазера) направляют на плоскопараллельную пластину2, при этом пои отражении от верхней (фронтальной) плоскости пластины 2 луч попадает на кювету 3, заполненную средой, 10 содержащей анализируемые частицы. Луч падает на кювету 3 под углом О, отличным от 90, чтобы исключить нормальное падение и отраженный свет. B контролируемои среде свет рассеивается, рассеянный свет, 15 проходящий через пластину 2 в направлении обратного рассеяния, попадает после фокусировки линзой 4 на диафрагму 5 и приемник 6, Толщина пластины 2 подбирается из условия разделения двух лучей, иду- 20 щих параллельно на приемник 6. После юстировки, проводимой s отсутствие среды для исследования в кювете 3, второй луч поглощается нейтральными фильтрами.

При измерениях при наличии среды в кюве- 25 те 3 первый луч падает на кювету и многократно рассеивается. Рассеянное назад излучение фокусируют линзой 4 на диафрагме 5, при этом микрометрическим винтом перемещают диафрагму, сканируя ее в фо- 30 кальной плоскости линзы и регистрируют угловую зависимость рассеянного назад излучения. перемещение производится в узком угле +1 - для регистрации всего распределения. Регистрация рассеянного 35 назад излучения производится регистрирующим фотоумножителем с последующим усилением электрического сигнала. Угловую зависимость рассеянного излучения сравнивают с градуировочной (тарирован- 40 ной) кривой рассеяния от среды с частицами известного диаметра и объемной концентрации. По изменению величины максимума кривой и ее полуширины устанавливают объемную долю взвешенных частиц в среде и тем самым производят контроль изменения объемного содержания частиц в среде.

Преимущество предлагаемого способа

llG сравнению в известным заключается в расширении возможностей контроля на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие среды, в которых известный оптический способ не может определить объемные концентрации более 5 . При больших концентрациях частиц связь показателя преломления с концентрацией частиц становится нелинейной, причем характер нелинейности зависит от вида частиц, вследствие чего точность измерения при концентрациях более 5 заметно падает, Предлагаемый способ свободен от этих недостатковв.

Формула изобретения

Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе путем направления на исследуемый раствор монохроматического излучения, регистрации, характеристики рассеянного в нем излучения, сравнении этой характеристики с аналогичной, полученной от эталонного образца, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых сред, на исследуемый раствор под углом, не равным 90, направляют плоскую волну монохроматического излучения, регистрируют путем сканирования интенсивность когерентной составляющей рассеянного излучения в области углов +1 относительно направления обратного рассеяния и по отклонению профиля кривой распределения зарегистрированной интенсивности при различных значениях углов от аналогичной эталонной кривой судят об объемном содержании частиц в растворе.

1728742

Составитель С.Непомнящая

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О. Кундрик

Редактор M. Янкович

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1403 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5