Способ и устройство для измерения размера частиц в суспензиях

 

Изобретение относится к измерительной технике. Согласно способу создают поток исследуемых частиц, просвечивают его лучом когерентного света, преобразуют свет, прошедший через поток частиц, в электрический сигнал и по его составляющим определяют размеры частиц. Дополнительно модулируют луч когерентного света до пересечения им потока частиц. В электрическом сигнале выделяют низкочастотную и высокочастотную области спектра, измеряют спектральные плотности мощности сигнала в указанных областях спектра, а размеры частиц определяют по отношению мощностей. Устройство содержит проточную камеру с блоком формирования потока исследуемых частиц, источник когерентного света, фотоприемник и определитель размера частиц. В устройство введен модулятор когерентного светового потока, а определитель размера содержит делитель и две параллельные цепи, состоящие из фильтров нижних и высоких частот, а также измерителей спектральной плотности сигнала. Входы фильтров подключены к выходу фотоприемника, а выходы измерителей спектральной плотности сигнала соединены с входами делителя. Изобретение обеспечивает улучшение точности измерений размера частиц и повышение чувствительности аппаратуры. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера мелких полупрозрачных частиц в различных суспензиях. В частности, оно может быть использовано в медицине при гематологическом анализе для определения размеров клеток и других элементов крови.

Известны методы измерения размера мелких частиц в суспензиях, в частности размера клеток крови, основанные на просвечивании суспензии, например пробы крови, помещенной в специальный прозрачный контейнер, преобразовании светового потока в электрический сигнал и анализе характеристик этого сигнала, связанных с размером исследуемых частиц.

Так, в способе и устройстве для его реализации по патенту US 4735504 от 05.04.1988, G 01 N 15/02 пропускают поток суспензии через сформированный с помощью оптики луч света, направляют световой поток, прошедший через суспензию, на поверхность фотоприемника, преобразуют падающий световой поток в электрический сигнал, по характеристикам которого определяют размеры частиц сферической формы, например красных кровяных телец, используя для этого картину первичного углового рассеивания света на частицах суспензии.

Измерения осуществляются с помощью пары пространственно разнесенных фотоприемников. Измеряются максимумы амплитуд сигналов в двух смежных угловых интервалах, выбранных в зависимости от ожидаемых размеров частиц, после чего измеренные значения максимумов сигналов сравниваются с амплитудами соответствующей пары эталонных сигналов, полученных при просвечивании частиц заранее известного размера. По результатам указанного сравнения определяют размеры исследуемых частиц.

Недостатками, присущими данному способу и реализующим его устройствам, являются низкая точность измерения размеров частиц вследствие влияния на результаты измерений априори неизвестных размера и формы клеток, а также связанные с этим ограничения на виды частиц, размеры которых могут быть определены таким способом.

Более универсальными являются способ и реализующая его аппаратура по патенту US 3879129 от 22.04.1975, G 01 N 15/02; G 01 N 21/06. Согласно этому способу облучают суспензию, помещенную в проточную камеру, пучком света, преобразуют прошедший через суспензию световой поток в электрический сигнал, выделяют в нем постоянную и переменную составляющие и определяют с их помощью размеры и концентрацию частиц с помощью регрессионного анализа.

Недостатками данного технического решения, выбранного в качестве прототипа, являются невысокая точность измерений и низкая чувствительность аппаратуры, реализующей указанный способ.

Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков, а именно на улучшение точности измерений размеров частиц в различных суспензиях и повышение чувствительности измерительной аппаратуры при возможности измерений размеров различных видов клеток и частиц в различного рода суспензиях.

Указанная задача решается благодаря тому, что в известном способе измерения размеров частиц, при котором создают поток исследуемых частиц, просвечивают этот поток лучом когерентного света в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемых частиц, преобразуют свет, прошедший через поток исследуемых частиц, в электрический сигнал и по результатам измерений различных составляющих этого сигнала определяют размеры исследуемых частиц, дополнительно модулируют луч когерентного света до пересечения им потока исследуемых частиц в суспензии, а после преобразования светового потока в электрический сигнал выделяют низкочастотную и высокочастотную области его спектра, измеряют спектральные плотности мощности электрического сигнала в указанных областях спектра, а размеры исследуемых частиц определяют по отношению измеренных значений спектральных мощностей электрического сигнала в вышеуказанных областях его спектра.

Заявленный способ реализуется с помощью устройства для измерения размера частиц в суспензиях, содержащего проточную камеру с блоком формирования потока исследуемых частиц, источник когерентного света, луч которого перпендикулярен направлению потока исследуемых частиц в проточной камере, фотоприемник, преобразующий луч когерентного света, прошедший проточную камеру, в электрический сигнал и определитель размера исследуемых частиц, в котором между источником когерентного света и проточной камерой введен модулятор когерентного светового потока, а определитель размера исследуемых частиц содержит делитель и две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательно включенных фильтра нижних частот и первого измерителя спектральной плотности сигнала, а вторая - из последовательно включенных фильтра высоких частот и второго измерителя спектральной плотности сигнала, при этом входы вышеуказанных фильтров подключены к выходу фотоприемника, а выходы первого и второго измерителей спектральной плотности сигнала соединены, соответственно, с первым и вторым входами делителя.

Решению поставленной задачи способствуют следующие частные признаки изобретения.

Определитель размера исследуемых частиц может быть выполнен в виде последовательно соединенных блока аналогово-цифрового преобразования, вход которого подключен к выходу фотоприемника, и персонального компьютера.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде сменного пространственного модулятора интенсивности света, распределение прозрачности которого вдоль направления оси проточной камеры описывается периодической функцией с периодом, равным нескольким диаметрам исследуемой частицы.

Период функции, описывающей распределение прозрачности сменного пространственного модулятора вдоль направления оси проточной камеры, выбирается в диапазоне от 5 до 20 мкм.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде дифракционной решетки.

Модулятор когерентного светового потока может быть выполнен в виде голограммы.

Схема устройства для реализации заявленного способа показана на фиг.1.

На фиг.2 представлен вариант реализации определителя размера исследуемых частиц на базе персонального компьютера.

На фиг.3 представлено распределение интенсивности светового потока вдоль направления оси проточной камеры относительно точки пересечения указанной оси с осью светового луча.

На фиг.4 изображен спектр мощности электрического сигнала на выходе фотоприсмника.

На фиг.5 представлена зависимость отношения спектральной плотности мощности электрического сигнала в низкочастотной области РL к спектральной плотности мощности этого сигнала в высокочастотной области Рh от среднего размера (объема) исследуемой частицы V, выраженного в мкм3.

На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - проточная камера; 2 - блок формирования потока исследуемых частиц; 3 - источник когерентного света; 4 - модулятор когерентного светового потока; 5 - фотоприемник; 6 - определитель размера исследуемых частиц; 7 - фильтр нижних частот; 8 - фильтр высоких частот; 9, 9' - измерители спектральной плотности мощности сигнала; 10 - делитель.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 11 - блок аналогово-цифрового преобразования (блок АЦП); 12- персональный компьютер.

Представленная на фиг.1 схема работает следующим образом.

Суспензия с исследуемыми частицами, например проба крови помещается в проточную камеру 1. Блок 2 формирования потока исследуемых частиц обеспечивает движение суспензии в направлении оси проточной камеры 1. Источник когерентного света 3, например полупроводниковый лазер, создает световой поток с устойчивой амплитудно-фазовой характеристикой во времени и пространстве.

Этот световой поток проходит через модулятор 4. Распределение интенсивности светового потока вдоль оси проточной камеры описывается функцией, показанной на фиг.3. При перемещении исследуемых частиц вдоль фронта падающей волны с распределением интенсивности, показанным на фиг.3, световой поток модулируется за счет рассеяния и/или поглощения света частицами суспензии, например, клетками крови.

Для светового потока исследуемые частицы являются полупрозрачными, а поглощение света прямо пропорционально толщине частицы в данной точке.

При этом на выходе фотоприемника 5 фиксируются флуктуации электрического сигнала, спектр мощности которых зависит от размера (объема) исследуемых частиц. Характерная спектральная картина сигнала на выходе фотоприемника 5 показана на фиг. 4. Как видно из чертежа, низкочастотная и высокочастотная части спектра хорошо локализованы и могут быть легко выделены с помощью фильтра нижних частот 8 и фильтра высоких частот 9 соответственно.

Отношение спектральной плотности PL мощности сигнала в низкочастотной области спектра на выходе измерителя спектральной плотности 9 к спектральной плотности Рh в высокочастотной области спектра на выходе аналогичного измерителя 9' зависит только от размера (объема) исследуемых частиц и не зависит от параметров используемой аппаратуры. Это позволяет построить устойчивую градуировочную характеристику рассматриваемого устройства (см. фиг. 5), практически не зависящую от оптических свойств суспензии и параметров аппаратуры, чем и определяются высокие точностные параметры и чувствительность устройств, реализующих заявленный способ.

Вышеуказанные преобразования, позволяющие с высокой точностью определить размер различных типов частиц в суспензиях, могут быть реализованы и в цифровом виде. Для этого сигнал с выхода фотоприсмника 5 подвергают аналогово-цифровому преобразованию в блоке АЦП 11, а затем обрабатывают в персональном компьютере 12. Тип компьютера и вид конкретного алгоритма обработки для получения конечного результата не существенны для данного изобретения.

Модулятор 4 может быть выполнен в различных вариантах. Поскольку оптимальным для измерений является период пространственной функции, равный нескольким диаметрам исследуемой частицы, то в процессе измерений целесообразно использовать сменные модуляторы, "подобранные" под различные типы частиц.

Так, например, при гематологическом анализе период модуляции должен находиться в диапазоне 5-20 мкм.

Возможно исполнение модулятора в виде дифракционной решетки, а также в виде голограммы.

В любом из этих вариантов совокупность общих с прототипом и отличительных признаков представленного технического решения позволяют решить поставленную задачу. Заявляемые способ и устройство обеспечивают высокую точность измерений для частиц любой формы и пространственной ориентации относительно светового потока. Соответственно, данное техническое решение может быть классифицировано как изобретение.

Формула изобретения

1. Способ для измерения размера частиц в суспензиях, при котором создают поток исследуемых частиц, просвечивают этот поток лучом когерентного света в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемых частиц, преобразуют свет, прошедший через поток исследуемых частиц, в электрический сигнал и по результатам измерений различных составляющих этого сигнала определяют размеры исследуемых частиц, отличающийся тем, что дополнительно модулируют луч когерентного света до пересечения им потока исследуемых частиц в суспензии, а после преобразования светового потока в электрический сигнал выделяют низкочастотную и высокочастотную области его спектра, измеряют спектральные плотности мощности электрического сигнала в указанных областях спектра, а размеры исследуемых частиц определяют по отношению измеренных значений спектральных мощностей электрического сигнала в вышеуказанных областях его спектра.

2. Устройство для измерения размера частиц в суспензиях, содержащее проточную камеру с блоком формирования потока исследуемых частиц, источник когерентного света, луч которого перпендикулярен потоку исследуемых частиц в проточной камере, фотоприемник, преобразующий луч когерентного света, прошедший проточную камеру, в электрический сигнал, и определитель размера исследуемых частиц, отличающееся тем, что между источником когерентного света и проточной камерой введен модулятор когерентного светового потока, а определитель размера исследуемых частиц содержит делитель и две параллельные цепи, первая из которых состоит из последовательно включенных фильтра нижних частот и первого измерителя спектральной плотности сигнала, а вторая - из последовательно включенных фильтра высоких частот и второго измерителя спектральной плотности сигнала, при этом входы вышеуказанных фильтров подключены к выходу фотоприемника, а выходы первого и второго измерителей спектральной плотности сигнала соединены соответственно, с первым и вторым входами делителя.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что определитель размера исследуемых частиц выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу фотоприемника, и персонального компьютера.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде сменного пространственного модулятора интенсивности света, распределение прозрачности которого вдоль направления оси проточной камеры описывается периодической функцией с периодом, равным нескольким диаметрам исследуемой частицы.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что период функции, описывающей распределение прозрачности сменного пространственного модулятора вдоль направления оси проточной камеры лежит в диапазоне 5-20 мкм.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде дифракционной решетки.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что модулятор когерентного светового потока выполнен в виде голограммы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к определению разновидностей хризотил-асбеста и может быть использовано в геологоразведочном производстве и горнодобывающей промышленности, а также в тех отраслях, которые используют хризотил-асбест

Изобретение относится к способам контроля физической активации жидкостей, в частности контроля степени омагниченности жидкостей сред, обработанных омагничивающими аппаратами

Изобретение относится к оптическим методам анализа, а более точно к фотоэлектрическому способу седиментационного анализа дисперсности порошковых материалов однородного вещественного состава
Изобретение относится к физико-химическому анализу вещества и предназначено для исследования строения жидких и жидко-твердых растворов и смесей

Изобретение относится к устройствам контроля крупности продуктов мокрого измельчения в горной, металлургической, химической и строительной отраслях промышленности

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано в медицине при исследовании скорости оседания эритроцитов в плазме крови (СОЭ) или в физической химии при седиментационном анализе дисперсных фаз
Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их физических свойств

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их физических свойств

Изобретение относится к устройствам для анализа воды по следующим характеристикам: мутности, цветности, температуре, результатам седиментационного анализа, электропроводности, вязкости, электрофоретической подвижности, дзета-потенциалу частиц взвеси, химической потребности в кислороде, содержанию хлора, водородному показателю и редокс-потенциалу и может быть использовано для мониторинга водных объектов, технического и питьевого водоснабжения

Изобретение относится к лазерным устройствам для измерения и контроля размеров частиц в суспензиях, микро- и наноэмульсиях, коллоидных растворах и взвесях частиц в жидкостях и газах

Изобретение относится к средствам морской радиоэкологии и биогеохимии. Способ определения концентрации тория-234 в морских донных отложениях состоит в том, что в качестве трассера радиохимического выхода используют естественный долгоживущий α-излучающий изотоп 232Th, исходную активность которого определяют в части пробы по γ-излучению свинца-212 при соблюдении условия радиоактивного равновесия между Th и Pb, а другую часть пробы, отделив торий от сопутствующих элементов методом оксалатного осаждения, используют для жидкостно-сцинтилляционного (ЖС) спектрометрического анализа активности 234Th и 232Th по и β- и α-излучению, после чего рассчитывают радиохимический выход тория (R) и исходную концентрацию тория-234 (234Thисх, Бк/кг) по приведенным формулам. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности определения содержания 234Th.

Изобретение относится к области разработки способов и установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения совокупности твердых частиц в жидкой среде при их гравитационном осаждении. Частицы предварительно смачивают водным раствором глицерина и размещают на пластину в виде компактно упакованного слоя в форме сферического сегмента. Пластину с направленным вниз слоем частиц помещают в кювету с жидкостью. При этом содержание глицерина в растворе выбирают в диапазоне (95÷99) мас. %, а диаметр частиц D и сторону квадратного основания кюветы b выбирают в соответствии с неравенствами где D - диаметр частиц (мм); ρ - плотность материала частиц (кг/м3); b - сторона квадратного основания кюветы (м); d - диаметр основания сферического сегмента слоя частиц (м). Начальную концентрацию совокупности частиц в слое определяют по алгебраической формуле, а изменение формы, размера и скорости осаждения облака из совокупности частиц определяют визуализацией с помощью двухракурсной скоростной видеосъемки. Обеспечивается повышение точности определения основных характеристик гравитационного осаждения в жидкости совокупности частиц с заданной начальной концентрацией и с нулевой начальной скоростью. 5 ил., 2 табл.

Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу измерения липкости вещества, такого как целлюлозная масса, с датчиком, работающим в режиме он-лайн или встроенным, имеющим прозрачную пластину с поверхностью, к которой могут прикрепляться липкие частицы. Прикрепившиеся частицы идентифицируют с помощью фотокамеры, расположенной позади пластины. Камера сфокусирована на определении стационарных частиц, прикрепленных к поверхности. Измерение проводят непосредственно из технологического потока или из бокового потока, при этом пластина не нуждается в извлечении из процесса для измерения. Материалом пластины может быть пластмасса, такая как поликарбонат или акриловый пластик. Кроме того, скорость потока может поддерживаться низкой, например менее 0,1 м/с, в положении измерения и/или может существовать застойная точка потока в месте измерения или рядом с ним, где скорость потока приближается к нулю. Техническим результатом является непрерывное определение осаждаемости твердых частиц по мере их прохождения через производственный процесс. 7 н. и 28 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.
Наверх