Прибор для определения размеров частиц

 

Сущность изобретения: прибор содержит две идентичные оптические схемы, каждая из которых состоит из последовательно расположенных лазера, отклоняющего зеркала , светоделителя, коллиматора, двухлучевого интерферометра, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды, в опорном - телескопическая система с компенсатором , а его выходы объединены через две диафрагмы, два зеркала, прямоугольную отражательную призму и приемный объектив на один фотоприемник, который через регулируемый усилитель и фильтр подключен к общему двухвходовому анализатору, дополнительно два фотоприемника, оптически сопряженных со светоделителями и соединенных с управляющими входами регулируемых усилителей, причем телескопические системы в предметных плечах обоих интерферометров перпендикулярны и имеют общий узел прокачки, а интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера. 3 ил. on С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я G 01 N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4883169/25 (22) 20,11.90 (46) 07.03.93. Бюл. М 9 (71) Институт электроники АН БССР (72) E.Ê,×åõîâè÷, И.М.Лакоза, А,И.Дударчик и А.С.Ляшевич (56) Авторское свидетельство СССР

N 1173263, кл. G 01 N 15/02, 1985.

Беляев С.П. и др. Оптико-электронные методы излучения аэрозолей. — M: Энергоиздат, 1981, с.111 — 113.

Патент США N 4477197, НКИ 356/335, 1984, (54) ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕPQB ЧАСТИЦ (57) Сущность изобретения; прибор содержит две идентичные оптические схемы, каждая из которых состоит из последовательно расположенных лазера, отклоняющего зерИзобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оборудованию автоматизированного измерения размеров частиц, и может быть использовано для оценки качества и эффективности ряда технологических процессов, осуществление которых связано с использованием чистых жидких или газообразных сред.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в прибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной

„„. Ж„„1800318 А1 кала, светоделителя, коллиматора, двухлучевого интерферометра, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды, в опорном — телескопическая система с компенсатором, а его выходы объединены через две диафрагмы, два зеркала, прямоугольную отражательную призму и приемный объектив на один фотоприемник, который через регулируемый усилитель и фильтр подключен к общему двухвходовому анализатору, дополнительно два фотоприемника, оптически сопряженных со светоделителями и соединенных с управляющими входами регулируемых усилителей, причем телескопи <еские системы в предметных плечах обоих интерферометров перпендикулярны и имеют общий узел прокачки, а интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера. 3 ил. плоскости ее объективов, и фотоприемник, фильтр, подключенный к его выходу анализатор, введены последовательно расположенные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлучевой интерферометр с телескопической системой в предметном плече, установленная перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также в общей фокальной плоскости объективов второй системы, второй фотоприемник, второй фильтр, подключенный ко второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха — Цендера, в опорные плечи интерферометров введены телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих эти системы объек1800318 тивов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и их выходы оптически сопряжены с чувствительными площадками соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управляемые усилители, управляющие выходы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически свя- 10 занных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.

Введение в прибор для определения размеров частиц новых элементов с их взаимосвязями позволило повысить точность измерений. Точность повышена за счет следующих факторов, В предложенном приборе более четко определены границы измерительной зоны, образованной перпендикулярным пересечением сфокусированных световых потоков, и выбирается наибольший из сигналов, полученных от каждого из пересекающихся пучков. В приборе в телескопических системах используются объективы с равными фокусными расстояниями, что обеспечивает равенство интенсивностей опорных и предметных пучков и получение действительно темных интерференционных полос, а так как щели диафрагмы расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии частиц не освещены, в связи с чем значительно уменьшены на выходах фотоприемников шумы лазера и дробовые шумы. В опорные плечи интерферометров введены телескопические системы, идентичные системам в предметных плечах, что обеспечивает совмещение идентичных световых пучков и, следовательно, существенное уменьшение фоновой составляющей.

Объединение выходов каждого интерферометра на один фотоприемник позволило удвоить уровень полезного сигнала, Фотоприемники в приборе регистрируют сигналы, каждый из которых представляет собой сумму инвертированного импульса ослабления, импульса рассеяния в направлении распространения освещаемого потока и импульса рассеяния в направлении, перпендикулярном направлению распространения освещающего светового пучка. Это позволяет существенно увеличить амплитуду сигналов от частиц (и как следствие, — отношение сигнал/шум) и уменьшить влияние на них показателя преломления частиц или их материала (амплитуда сигналов ослабления практически не зависит от материала частиц, а регистрация сигналов рассеяния одновременно в двух

45 направлениях усредняет такую зависимость для них).

На фиг,1 приведена схема прибора для определения размеров частиц, на фиг.2— образование в приборе измерительной зоны; на фиг.3 — распределение интенсивностей в пересекающихся сфокусированных световых пучках.

Прибор для определения размеров частиц содержит два лазера 1 и 2, отклоняющие зеркала 3 и 4, светоделители 5 и 6, фотоприемники 7 — 10, коллиматоры 11 и 12, два интерферометра Маха-Цендера 13 и 14, в предметных плечах которых установлены телескопические системы 15 и 16, имеющие общий узел 17 прокачки исследуемой среды, а в опорных плечах — телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и21, диафрагмы 22 — 25, зеркала 26 — 29, прямоугольные отражательные призмы 30 и 31, приемные объективы 32 и 33, регулируемые усилители

34 и 35, фильтры 36 и 37, анализатор 38.

Каждый интерферометр включает полупрозрачные зеркала 39 — 42, а также — зеркала

43 — 46. Телескопические системы 15, 16, 18 и 19 состоят соответственно из объективов

47 и 48, 49 и 50, 51 и 52, 53 и 54, Лазер 1, отклоняющее зеркало 3, светоделитель 5, коллиматор 11 и интерферометр

14 расположены последовательно и оптически связаны. Лазер 2, отклоняющее зеркало

4, светоделитель 6, коллиматор 12 и интерферометр 13 также последовательно расположены и оптически связаны.

Интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера и образованы каждый из них соответственно полупрозрачными зеркалами 39, 40 и 41, 42 и зеркалами 43, 44 и 45, 46. В каждом предметном плече интерферометров 13 и 14 расположены телескопические системы 15 и 16, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, э в месте пересечения этих осей, где расположен общий фокус всех четырех объективов указанных систем, установлен узел 17 прокачки исследуемой среды. В опорных плечах интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсатора 20 и 21 в общих фокальных плоскостях их объективов. Выходы интерферометра 13 объединены через две диафрагмы 22, 23, два зеркала

26, 27, прямоугольную отражательную призму 30 и приемный объектив 32 на один фотоприемник 9, Выходы интерферометрэ 14 объединены через две диафрагмы 24, 25, два зеркала 28, 29, прямоугольную отражательную призму 31 и приемный объектив 33 на фотоприемник 10. Фотоприемники 7 и 8 оптически сопряжены соответственно со светоделителями 5 и 6. К выходам фотопри1800318 емников 9 и 10 подключены регулируемые световые потоки в узел 17 прокачки исслеусилители 34 и 35, управляющие входы ко- дуемой среды, через который она прокачито ых соединены с выходами фотоприемни- вается с постоянной скоростью. ков 7 и 8. выходы регулируемых усилителей Оси сфокусированных лучей в узле про34 и 35 связаны через фильтры 36 и 37 с 5 качки пересекаются под прямым углом и анализатором 38. Объективы всех телеско- пучки образуют освещенную зону, вид коточ ских систем имеют равные фокусные рой показан на фиг.2. В освещенной зоне расстояния и расположены на двойном фо- есть общий объем для обоих пересе ающ кусном расстоянии друг отдруга. Компенса- ся потоков, используемый в качестве изметоры в телескопических системах, 10 рительной зоны, при прохождении которой размещенных в опорных плечах интерферо- частицы регистрируются. В связи с тем, что метров, имеют размеры в сечении, равные длина перетяжки сфокусированных потоков размерам узла прокачки исследуемой сре- значительно превышает ее диаметр, формиды. руется измерительная зона, сечение котоВ приборе для определения размеров 15 рой имеет форму, близкую к квадрату с частиц используются лазеры типа Лà — 79 — 1, почти четкими границами. Интенсивность в качестве фотоприемников 7 и 8 примене- вдоль любой оптической оси распределена ны фотодиоды ФД256, а фотоприемников 9 значительно более равномерно, чем попеи 10 — фотоумножители ФЭУ вЂ” 69. Коллима- рек ее (фиг.3). Так как оптические оси фокуторы увеличивают сечение потока в четыре 20 сирующих объективов перпендикулярны, в раза. Фокусные расстояния объективов те- измерительной зоне в каждом направлении лескопических систем равны 16 мм, а при- есть два распределения интенсивностей пеемных объективов — 30 мм, Регулируемые ресекающихся пучков и выбор наибольшего усилители построены по схеме суправлени- из любых двух сигналов, полученных при ем коэффициентом передачи напряжением, 25 взаимодействии обоих потоков с частицей. обратно пропорциональным мощности ла- позволяет получать наиболее достоверные зерного излучения, а фильтры — по схеме сигналы. При этом происходит выбор потополосовых усилителей. Анализатор выпал- ка, имеющего по траектории движения часнен в виде двухканального преобразовате- тицы наибольшую интенсивность, и ля амплитуда — код, блока буферных 30 получение измерительной зоны с наиболее регистров, интерфейса и ППЭВМ типа ЕС равномерной освещенностью. Потоки в из1841. мерительной зоне не интерферируют, так

Прибор для определения размеров час- как они не когерентны вследствие использотиц работает следующим образом, вания двух лазеров в приборе.

Излучение от лазеров 1 и 2 направляет- 35 Излучение, прошедшее узел прокачки, ся отклоняющими зеркалами 3 и 4 на свето- собирается объективом 48 телескопической делители.5 и 6. Прошедшие светоделители системы 15 и объективом 50 телескопиче5 и 6 световые пучки попадают в коллимато- ской системы 16. выходящие из телескопиры 11 и 12, которые расширяют их. Откло- ческих систем световые пучки параллельны ненные светоделителями пучки, 40 иимеютсечения, равныесечениям входных интенсивность которых значительно мень- пучков, но пространственно обернутые. ше прошедших пучков (единицы процен- Вторые пучки, полученные после деления тов), регистрируются фотоприемниками 7 и полупрозрачными зеркалами 39 и 41, ис8. Эти фотоприемники служат для регистра- пользуются как опорные. В опорных плечах ции изменений мощности лазеров. Элект- 45 интерферометров помещены телескопичерические сигналы с них подаются на ские системы 18 и 19 с компенсаторами 20 управляющие входы регулируемых усилите- и 21, Назначение этих телескопических сислей 34 и 35. тем состоит в получении опорных потоков.

Расширенные коллиматорами световые пространственно обернутых таким обрапотоки направляются в два интерферомет- 50 зом, как и предметные потоки. Компенсатора 13 и 14 типа Маха-Цендера, В каждом ры позволяют выравнять оптические пути интерферометре излучение делится полу- предметных и опорных потоков, а также испрозрачными зеркалами 39 и 41 на два рав- ключить регистрацию частиц, которые могных по интенсивности потока, одни из ли бы попасть из окружающей среды в которых зеркалами 43 и 45 направляются в 55 сфокусированное излучение объективами предметные плечи соответствующих интер- 51 и 53 телескопических систем 18 и 19. ферометров, где помещены телескопиче- Предметные и опорные пучки в каждом инские системы 15 и 16, Объектив 47 терферометре совмещаются при помощи телескопической системы 15 и объектив 49 зеркал 44, 46 и полупрозрачных зеркал 40, телескопической системы 16 фокусируют 42, Интерферометры юстируются таким об1800318

45

55 разом, что на их выходах получают наиболее широкие интерференционные полосы. Щели диафрагм 22 — 25 расположены напротив темных интерференционных полос, где интенсивность близка к нулю.

При попадании частицы, находящейся в прокачиваемой исследуемой среде, в измерительную зону, образованную пересечением перетяжек сфокусированных потоков, уменьшается интенсивность предметных пучков интерферометров, т,е. они ослабляются. Это приводит к нарушению равенства интерферирующих потоков и, как следствие, к появлению засветки на темных интерференционных полосах, Формирующиеся при этом за щелями диафрагм 22 — 25 световые сигналы есть не что иное, как инвертированные сигналы ослабления. Они имеют и ол о>к ител ь ную пол я р ность относител ьно нулевого уровня, На эти сигналы накладываются (или суммируются) сигналы рассеяния, имеющие такую же полярность, Суммируются с сигналами ослабления два вида сигналов рассеяния: рассеяние вперед и рассеяние под углом 90 . Сигналы рассеяния вперед распространяются совместно с прошедшим узел прокачки излучением и образуются от взаимодействия с частицей потока в интерферометре, на выходе которого получают эти сигналы. Сигналы рассеяния под углом 90 образуются от взаимодействия с частицей излучения из другого интерферометра по отношению к тому, на выходе которого они регистрируются. Таким образом, за каждой диафрагмой формируются суммарные световые сигналы, Амплитуда этих сигналов наименее подвержена флуктуациям из-за различия материала частиц, так как методу ослабления присуща сравнительно слабая зависимость сигнала от материала частиц в широком интервале показателей преломления, а суммируемые сигналы рассеяния регистрируются в двух перпендикулярных направлениях, что позволяет проводить их усреднение, Сигналы с двух выходов каждого интерферометра суммируются на фотоприемниках 9 и

10 при помощи зеркал 25 — 29, прямоугольных отражательных призм 30, 31 и приемных обьективов 32, 33. Суммарные сигналы имеют в два раза большую амплитуду, Они посредством фотоприемников преобразовываются в электрические, Электрические сигналы формируются при попадании частиц в освещенную зону крестообразного вида, При этом появление сигналов одновременно с обоих фотоприемников свидетельствует о прохождении частицей измерительной зоны, представляющей общий участок двух пересекающихся потоков освещенной зоны (фиг.2), Если частица попадает в один из потоков освещенной зоны, сигнал формируется на выходе только одного из фотоприемников. Одновременное формирование сигналов с двух фотоприемников не означает равенство их амплитуд, Амплитуды сигналов равны при попадании частицы одновременно в два сфокусированных потока, причем в участки с одинаковой интенсивностью. Если частица попадает одновременно в два потока, но в участки с разной интенсивностью, формируются одновременно два сигнала с разной амплитудой. Задавая допуск на различие амплитуд двух сигналов, можно фиксировать границы измерительной зоны, а меняя его, регулировать размеры этой зоны. В качестве анализируемого сигнала при этом выбирается сигнал с большей амплитудой, так как он наиболее полно отражает размер частицы по причине получения его от участка светового потока с большей интенсивностью.

Электрические сигналы с фотоприемников 9 и 10 подаются на регулируемые усилители 34 и 35. Коэффициент усиления этих усилителей меняется в зависимости от величины напряжений, подаваемых на их управляющие входы с выходов фотоприемников 7 и 8. При помощи усилителей осуществляется подстройка амплитуд сигналов при изменениях мощности лазеров и тем самым исключаются связанные с этим погрешности. С выходами усилителей связаны фильтры 36 и 37, которые за счет фильтрации сигналов дают возможность повысить отношение сигнал/шум, Сигналы с выходов фильтров поступают в анализатор 38, В анализаторе сигналы оцифровываются и их коды через буферные регистры памяти и интерфейс передаются в персональную

ЭВМ (анализатор выполнен на базе аналого-цифрового преобразователя, буферных регистров памяти, интерфейса и персональной ЭВМ). В ЭВМ коды обоих сигналов сравниваются в пределах заданного допуска и если различие допустимо, выбирается наибольший из кодов, который и подлежит дальнейшему анализу. Далее определяется соответствие кода линейному размеру частицы в микрометрах и отнесение его к соответствующему диапазону искомого распределения размеров частиц. При прохождении новой частицей измерительной зоны операции с сигналами в анализаторе повторяются. Анализатор работает в течение интервала времени, задаваемого при помощи внутреннего таймера ЭВМ, что позволяет определять концентрацию частиц в определенном объеме исследуемой среды. прокачиваемой через узел прокачки с посто10

1800318

55 янной скоростью, Анализатор не обрабатывает сигналы, различие амплитуд которых превышает заданный допуск. Величина допуска задается программным путем в ЭВМ анализатора и может меняться, что позволяет регулировать размеры измерительной зоны, Т.е. измерительная зона в приборе формируется за счет пересечения перетяжек сфокусированных световых потоков и задания допуска на различие сигналов. Анализатор может быть организован и иным образом без персональной ЭВМ, но выполняемые им операции не изменятся.

Предлагаемый прибор для ойределения размеров частиц имеет более высокую точность измерений по сравнению с известными, В приборе измерительная зона образуется за счет получения участка пересечения перетяжек сфокусированных световых пучков, фиксация границ этого участка заданием допуска на различие амплитуд сигналов, получаемых на выходах двух интерферометров, и выбора наибольшего из них, что обеспечивает формирование наиболее равномерно освещенной измерительной зоны и существенное уменьшение связанных с этим погрешностей, Так как в интерферометрах совмещаются равные по интенсивности и одинаково пространственно обернутые потоки, а щели диафрагм расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии сигналов не освещены, что обеспечивает снижение уровня дробовых шумов и шумов лазеров, величина которых зависит от величины падающего на фотоприемник потока, Каждый фотоприемник регистрирует сигналы с двух выходов инте рферометров, что дает удвоение амплитуды сигналов. Кроме этого, амплитуда каждого сигнала представляет собой сумму амплитуд сигналов: инвертированного ослабления и двух рассеяния в перпендикулярных направлениях, что также увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов и уменьшает влияние на них природы частиц.

Преимуществами прибора для определения размеров частиц являются также возможности регулировки размеров измерительной зоны путем изменения допуска на различие сигналов с двух интерферометров (зто позволяет уменьшать измерительную зону и определять высокие концентрации частиц) и

5 реализации его конструкции без особых трудностей.

Прибор для определения размеров частиц может найти широкое применение при контроле жидких и газообразных сред.

10 Формула изобретения

Прибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в

15 предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной плоскости его объективов, и фотоприемник, анализатор, фильтр, подключенный к входу

20 анализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно расположенные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлуче25 вой интерферометр, в предметном плече которого установлена вторая телескопическая система перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также и в общей фокальной плоскости

30 объективов второй системы, и второй фотоприемник, второй фильтр, подключенный к второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха-Цендера, в опорные плечи интерферометров введены

35 телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих зти системы объективов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и выходы

40 оптически сопряжены на чувствительных площадках соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управляемые уси45 лители, управляющие входы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически связанных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.

1800318

4 .?О 5ч 44

»

,иг. 1

Редактор

Заказ 1159 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

П„

Составитель И.Лакова

Техред М,Моргентал Корректор М.Петрова