Способ определения показателя рассеяния света в жидких средах и устройство для его осуществления

 

Использование: измерение оптических характеристик жидких сред. Сущность изобретения: в жидкую исследуемую среду направляют излучение от точечного изотропного источника света и от источника направленного излучения модулируют и излучают световые потоки, по которым определяют показатель рассеяния света в исходной среде. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерениям оптических характеристик жидких сред как на пробах, так и при погружении измерительного устройства непосредственно в исследуемую жидкую среду.

Изобретение может найти применение для измерений оптических характеристик в природных водоемах, для измерения мутности водопроводной воды, сточных вод, бензина, керосина, других видов топлива, пива, суспензий и эмульсий и других жидких сред, в химической, пищевой, фармацевтической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известны способы измерения показателя рассеяния ( σ ) путем измерения показателя рассеяния σ(Θ) в фиксированном направлении Θ , и последующего нахождения σ либо с помощью корреляционных зависимостей, либо путем численного интегрирования функции σ(Θ) в диапазоне углов Θ 0,2-170^о. Эти способы имеют низкую точность и требуют сложных устройств для их реализации.

Задачей предполагаемого технического решения является увеличение точности определения показателя рассеяния в жидких средах при одновременном упрощении устройства.

Техническая задача решается в способе определения показателя рассеяния в жидких средах, включающем направление излучения изотропного источника в жидкую среду, измерение характеристик рассеянного светового поля и последующий расчет показателя рассеяния благодаря тому, что дополнительно направляют в жидкую среду излучение направленного источника, причем световые потоки источников изотропного и направленного излучения изменяют во времени (модулируют) по различным законам, измеряют световые потоки от обоих источников, прошедшие исследуемую среду, с помощью одного фотоприемника, и показатель рассеяния среды рассчитывают по формуле σ = ln (F_n/F_н),, где R - расстояние в жидкой среде, которое проходит излучение от источников; F_н - световой поток от изотропного источника, прошедший исследуемую среду; F_н - световой поток от направленного источника, прошедший исследуемую среду.

Устройство для определения показателя рассеяния в жидкой среде, состоящее из источника питающего напряжения, герметичного корпуса с защитными стеклами, внутри которого установлены на одной оптической оси изотропный источник света, защитные стекла и фотоприемник, соединенный с блоком усиления, вычисления и регистрации, снабжено дополнительно направленным источником света, установленным на оптической оси перед изотропным источником, блоком модуляции напряжений, питающих источники света, и блоком обработки сигналов фотоприемника.

Сущность изобретения заключается в возможности более точно определить показатель рассеяния, направляя в исследуемую среду излучение источников - изотропного и направленного излучения. Благодаря различному модулированию излучения обоих источников, изменение световых потоков, прошедших исследуемую среду, может быть измерено с помощью одного фотоприемника, снабженного соответствующим блоком обработки, разделяющим сигналы, пропорциональные двум измеряемым потокам излучения. Благодаря заявленным признакам способа и устройства нет необходимости совмещать изображение источника с точечной диафрагмой, как в прототипе, в предлагаемом изобретении изображение направленного источника света формируется непосредственно за защитным стеклом на фотоприемнике.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет избавиться от погрешности, связанной с разным изменением чувствительности двух фотоприемников с течением времени в процессе эксплуатации, и упрощает устройство, позволяет легко и просто проводить его юстировку в эталонной среде.

Для этого достаточно совместить изображение направленного источника, непосредственно наблюдаемое на защитном стекле, с чувствительной площадкой фотоприемника, в то время как в прототипе юстировка требует помещения в плоскость диафрагмы дополнительного элемента (например, матового стекла) для визуализации изображения источника, удаления стоящего за диафрагмой фотоприемника и достаточно сложной процедуры совмещения малого изображения источника с точечной диафрагмой с помощью чувствительных регулировочных элементов.

Таким образом, заявляемые отличительные признаки способа и устройства для его реализации являются существенными для решения поставленной задачи.

На фиг.1 приведена схема устройства для определения показателя рассеяния жидкой среды; на фиг.2 приведены кривые напряжений, вырабатываемых блоком модуляции для питания изотропного и направленного источников света (2, а), кривые зависимости от времени потоков, воспринимаемых фотоприемником от изотропного и направленного источников, и соответствующих им сигналов, формируемых в блоке обработки (2,б).

Помещенное в жидкую среду 1 устройство имеет защитные стекла 2 и 3, изотропный источник 4 непосредственно перед защитным стеклом 2, направленный источник 5 (который может быть либо лазерным, либо состоящим из точечного излучателя 6 и осветительной линзы 7, проектирующей изображение излучателя 6 на фотокатод фотоприемника 8), фотоприемник 8, находящийся непосредственно за защитным стеклом 3. Источники света питаются от общего источника питания через блок модуляции 9, осуществляющий изменение во времени световых потоков источников света по заданным законам. Фотоприемник 8 имеет выход на блок обработки сигнала 10, а сигнал с блока 10 поступает на блок усиления, вычисления и регистрации 11.

Способ реализуется с помощью устройства следующим образом. Напряжения U_н(t) и U_и(t), питающие направленный и изотропный источники света, вырабатываются одним и тем же источником питания с блоком модуляции 9. Это обеспечивает постоянство отношения F_н/F_и потоков, исходящих от обоих источников, во времени. Эти потоки, проходя рассеивающую среду, поступают на фотоприемник 8 и создают на его выходе сигнал S(t) = S_н(t) + S_и(t), равный сумме сигналов, каждый из которых пропорционален соответственно потокам F_н(t) _и F_и(t). Сигнал S(t) поступает на блок обработки 10, который осуществляет фильтрацию сигналов S_н(t) и S_и(t) и формирует напряжения V_н и V_и, пропорциональные средним по времени величинам потоков F_н(t) и F_и(t): V_н~ F_н, V_n~ F_n, , F_н= F_н(t)dt, F_n= F_n(t)dt,, где Т_н и Т_и - периоды изменения потоков F_н(t) и F_и(t).

Возможность фильтрации в блоке обработки 10 сигналов S_н(t) и S_и(t) обеспечивается соответствующим выбором законов изменения во времени напряжений U_н(t) и U_и(t). Например, U_н(t) и U_и(t) могут быть синусоидальными сигналами с различными частотами ω_ниω_и (фиг.2,а). Тогда величины V_н и V_и могут быть определены путем выделения гармонических составляющих сигнала S(t) с частотами 2ω_ни2ω_и и измерения их амплитуд, которые линейно связаны со средними значениями потоков F_н и F_и(фиг.2,б), т.е.

V_н/V_и = F_н/F_и.

Возможны и другие способы выделения сигналов V_н и V_и.

Из блока обработки эти сигналы поступают в блок 11 усиления, вычисления и регистрации, где вырабатывается отношение сигналов V_н и V_и: V_н/V_и = F_н/F_и, а также рассчитывается и регистрируется на "выходе" устройства (например, на дисплее) величина σ = ln (V_n/V_н), равна показателю рассеяния исследуемой среды.

Устройство предварительно регулируется в эталонной среде (воздухе или дистиллированной воде, в которых показатели поглощения κ и рассеяния σ равны нулю). Регулировка состоит в том, что с помощью изменения напряжений питания U_н(t) и U_и(t) в блоке модуляции 9 добиваются равенства сигналов V_н и V_и в блоке обработки, а следовательно, и потоков F_н и F_и в эталонной среде. Поскольку F_н=C_нexp[-(κ+σ)R], F_и=C_иexp[-κR], равенство F_н = F_и при κ = 0 и σ = 0 означает, что С_н = С_и = С.

При установке отрегулированного устройства в исследуемую жидкую среду с показателями поглощения и рассеяния κиσ , вырабатываемое в блоке 11 отношение сигналов V_и/V_н будет равно V_и/V_н=F_и/F_н=Cexp[-κR]/ /Cexp[-(κ+σ)R] =eσ^R, а ln (V_н/V_n) будет, очевидно, равенσ . На выходе блока 11 демонстрируется либо величина показателя рассеяния исследуемой среды σ, либо при соответствующей градуировке устройства пропорциональная σвеличина концентрации взвешенных частиц в жидкой среде.

Заявленное устройство может быть реализовано на известной элементной базе, например, с использованием светодиодов АЛ-336К или ФД-226.

Важным преимуществом предлагаемого способа и устройства перед прототипом является использование одного фотоприемника, что в принятом способе измерений существенно повышает точность измерений за счет исключения погрешности, связанной с уходом чувствительности разных фотоприемников со временем (из-за температурных и других воздействий). Кроме того, упрощается устройство, так как при его юстировке нет необходимости в сложном процессе совмещения изображения источника с точечной диафрагмой. В предлагаемом устройстве световое пятно фокусируется непосредственно на фотодетекторе, находящемся сразу же за защитным стеклом, т.е. световое пятно непосредственно наблюдается на защитном стекле 3.

Если необходимо измерить показатель рассеяния или концентрацию взвеси не "in situ", а на пробах кювета с исследуемой средой помещается между защитными стеклами 2 и 3. При этом длина кюветы должна быть равна "базе" прибора R, а ее диаметр D должен быть больше или равен R.

Формула изобретения

1. Способ определения показателя рассеяния света в жидких средах, при осуществлении которого направляют в исследуемую среду излучение точечного изотропного источника света, измеряют прошедший через исследуемую среду световой поток и определяют показатель рассеяния, отличающийся тем, что в исследуемую среду дополнительно посылают направленный световой поток, модулируют световые потоки, измеряют прошедший через исследуемую среду дополнительный световой поток, а показатель рассеяния определяют по формуле
σ = ln (F_n/F_н),
где R - расстояние в жидкой среде, которое проходят оба световых потока;
F_п и F_н - измеренные световые потоки от изотропного и дополнительного источников соответственно.

2. Устройство для определения показателя рассеяния света в жидких средах, содержащее точечный изотропный источник света, установленные по ходу излучения защитные стекла, фотоприемник, соединенный с блоком усиления, обработки и регистрации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник направленного излучения, установленный на оптической оси между точечным изотропным источником света и первым защитным стеклом устройства для размещения исследуемой среды, и блок модуляции, соединенный с источниками излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2