Устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния

Авторы патента:

Жарова Ирина Константиновна (RU)

Архипов Владимир Афанасьевич (RU)

Астахов Алексей Львович (RU)

Трофимов Вячеслав Федорович (RU)

Орлов Сергей Евгеньевич (RU)

Усанина Анна Сергеевна (RU)

G01N21/47 - дисперсионная способность, т.е. диффузионное отражение (G01N 21/25,G01N 21/41 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2612199:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение, в частности, в процессах измерения характеристик аэрозольных частиц в двухфазных средах оптическим методом, в химической технологии, коллоидной химии, в технологии диспергирования жидкости форсунками, при контроле загрязнения окружающей среды и в других отраслях техники. Технический результат - повышение точности. Для этого приемник излучения размещен на консоли, ось которой совмещена с центром измерительного объема. Соосно с приемником излучения на консоли установлена лазерная указка, излучение которой направлено от измерительного объема на измерительную шкалу. Измерительная шкала расположена от центра измерительного объема на расстоянии, определяемом неравенством , а угол рассеяния рассчитывается по формуле , где - смещение луча лазерной указки на измерительной шкале при повороте консоли на угол θ, мм; - расстояние между центром измерительного объема и измерительной шкалой, мм; - погрешность измерения на измерительной шкале, мм. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения характеристик аэрозольных частиц в двухфазных средах оптическими методами, и предназначено для определения функции распределения частиц по размерам. Изобретение может найти применение в химической технологии, коллоидной химии, в технологиях диспергирования жидкости форсунками, при контроле загрязнения окружающей среды и в других отраслях техники для определения характеристик аэрозольных систем.

Известен способ определения дисперсного состава аэрозольных частиц, основанный на измерении малоугловой индикатрисы рассеяния зондирующего излучения [1]. При этом индикатрису рассеяния J(θ) - угловое распределение интенсивности рассеянного частицами излучения - измеряют в диапазоне малых углов рассеяния (θ≤10 градусов), в качестве источника монохроматического зондирующего излучения используют оптический квантовый генератор (лазер), а функцию распределения частиц по размерам определяют решением обратной задачи оптики аэрозолей с использованием теории Ми для расчета факторов эффективности рассеяния одиночных частиц [2].

Обратная задача идентификации функции распределения частиц по размерам по измеренной индикатрисе рассеяния относится к классу «некорректно поставленных» задач математической физики [2]. Получение корректного решения обратной задачи возможно лишь при выполнении жестких требований к точности измерения входной экспериментальной информации, в данном случае - к точности измерения как интенсивности рассеянного излучения J(θ), так и угла рассеяния θ. При низкой точности измерения индикатрисы рассеяния возможно получение так называемых «фантомных» решений, не соответствующих реальной функции распределения частиц по размерам [2].

Известно устройство для измерения света, рассеянного под малыми углами [1], включающее выходную диафрагму и приемную линзу. Измерение интенсивности света, рассеянного частицами в измерительном объеме, проводят в фокальной плоскости линзы за пределами фокального пятна, в котором собран прямой пучок света. Свет, рассеянный под данным углом θ, приходит в фокальную плоскость на заданное расстояние от ее центра. Регистрация индикатрисы рассеяния J(θ) проводится на фотопленку с последующим фотометрированием. Недостатком данного устройства является низкая точность операции фотометрирования, а также искажения за счет рассеяния и преломления света в линзе.

Известны устройства для измерения интенсивности рассеянного зондирующего излучения под разными углами одновременно несколькими фотоприемниками [3], [4]. К недостаткам данных устройств относятся ограниченный дискретный набор углов рассеяния, а также необходимость градуировки каждого фотоприемника из-за разброса их рабочих характеристик.

Известны способы измерения малоугловой индикатрисы рассеяния [5, 6], в которых измерительное устройство включает наряду с прямым пучком зондирующего излучения дополнительный пучок опорного излучения, когерентного с прямым пучком, поступающим на рассеивающий образец. Для каждого угла рассеяния регистрируют и обрабатывают полученную интерференционную картину. Недостатком данных способов является сложная процедура определения J(θ), состоящая из пяти этапов для каждого угла рассеяния, а также сложность юстировки прибора и необходимость дополнительной математической обработки измеренных величин.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния [7], в котором зондирующее излучение гелий-неонового лазера, рассеянное аэрозолем в измерительном объеме, регистрируется одним фотоэлектронным умножителем. Фотоэлектронный умножитель помещен в светозащитный корпус с точечной диафрагмой. При перемещении фотоэлектронного умножителя в плоскости, перпендикулярной направлению зондирующего излучения, измеряют интенсивность рассеянного света под различными углами (индикатрису рассеяния). Недостатком этого устройства является низкая точность регистрации угла рассеяния.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения функции распределения аэрозольных частиц по размерам методом малоугловой индикатрисы рассеяния за счет снижения погрешности измерения как угла рассеяния θ, так и интенсивности рассеянного излучения J(θ).

Технический результат достигается тем, что разработано устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния, включающее источник зондирующего излучения - лазер и приемник излучения, рассеянного аэрозолями в измерительном объеме под малыми углами. Приемник излучения расположен на консоли с возможностью ее вращения вокруг оси, совмещенной с центром измерительного объема, на консоли расположена соосно с приемником излучения лазерная указка, излучение которой направлено от измерительного объема на измерительную шкалу, причем измерительная шкала расположена от центра измерительного объема на расстоянии, определяемом неравенством

а угол рассеяния рассчитывается по формуле

где - смещение луча лазерной указки на измерительной шкале при повороте консоли на угол θ, мм;

- расстояние между центром измерительного объема и измерительной шкалой, мм;

- погрешность измерения на измерительной шкале, мм;

θ - угол рассеяния, град.

Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами.

1. Использование консоли позволяет плавно регулировать ее угол поворота и тем самым угол рассеяния θ лазерного излучения (Фиг. 1).

2. Использование одного приемника излучения, расположенного на консоли, позволяет повысить точность измерения интенсивности рассеянного излучения J(θ) по сравнению с использованием набора приемников с разбросом рабочих характеристик и упростить юстировку установки.

3. Угол рассеяния лазерного излучения рассчитывается по измеренным значениям расстояния - между центром измерительного объема и смещения луча лазерной указки при повороте консоли на угол θ (Фиг. 1):

4. Использование лазерной указки позволяет увеличить точность измерения угла рассеяния лазерного излучения.

Угол рассеяния рассчитывается по формуле

Поскольку , погрешность измерения θ определяется погрешностью измерения смещения , луча лазерной указки на измерительной шкале.

Зададим относительную погрешность измерения не более 1%:

Тогда из (2) следует:

Подставим (3) в (1), получим

Из (4) следует условие для выбора

Для минимального значения угла рассеяния θ=1 град из (5) следует

Таким образом, для обеспечения погрешности измерения θ с погрешностью не более 1% расстояние должно удовлетворять неравенству

В частности, при , величина .

Пример реализации изобретения

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния, предназначенная для исследования дисперсности капель в факеле распыла форсунки.

Устройство состоит из форсунки для распыливания жидкости 1, создающей факел распыла 2 в измерительном объеме 3. Источник излучения - лазерный модуль 4. Луч лазера поступает в измерительный объем 3 и через систему диафрагм 5 поступает в приемник излучения 6, установленный на консоли 7, имеющей ось вращения 8. Вращение консоли обеспечивается микрометрическим винтом 9. Соосно с приемником излучения на консоли укреплена лазерная указка 10 с лучом, направленным в противоположную от измерительного объема сторону на укрепленную вертикально измерительную шкалу.

Устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния работает следующим образом. После юстировки в форсунку 1 под давлением подается рабочая жидкость, в результате чего образуется факел распыла 2. Вращением микрометрического винта 9 изменяется угол наклона консоли 7, и приемник излучения 6 с диафрагмами 5 выходит из прямого лазерного луча. Теперь в приемник излучения 6 через его входную апертуру 5 может попадать только рассеянное под малым углом зондирующее излучение лазера. Регистрирующей аппаратурой измеряется интенсивность рассеянного под этим углом излучения. Лазерная указка 10, расположенная соосно с приемником излучения на консоли, покажет на измерительной шкале 11 точку отсчета, смещение которой от «нулевой» пересчитывается в угол рассеяния излучения. Продолжение этой процедуры по следующим углам вращения консоли позволяет определить индикатрису рассеяния излучения.

Таким образом, пример реализации показывает, что устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния обеспечивает повышение точности определения функции распределения аэрозольных частиц по размерам методом малоуглового рассеяния за счет снижения погрешности измерения угла рассеяния и интенсивности рассеяния излучения. Эффективность изобретения подтверждена измерениями дисперсности состава капель в факеле распыла эжекционной и центробежной форсунок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шифрин К.С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию // В сб. «Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света» / Под ред. Б.И. Степанова и А.П. Иванова. - Минск: Наука и техника, 1971. - С. 228-244.

2. Архипов В.А., Бондарчук С.С. Оптические методы диагностики гетерогенной плазмы продуктов сгорания: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. - 265 с.

3. Kudryashova О.В., Akhmadeev I.R., Pavlenko А.А., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S. // Key Engineering Materials. 2010. Vol. 437. P. 179-183.

4. Пат. РФ 2525605, МПК G01N 15/02, G01N 21/47. Способ и устройство для оптического измерения распределения размеров и концентраций дисперсных частиц в жидкостях и газах с использованием одноэлементных и матричных фотоприемников лазерного излучения / В.Г. Певгов, Н.В. Певгова. - Опубл. 20.08.2014.

5. АС СССР 1323927, МПК GO1N 21/47. Способ измерения индикатрисы рассеяния / И.Л. Максимова, Л.П. Шубочкин, В.В.Тучин. Опубл. 15.07.1987. Бюлл. №26.

6. Пат. РФ 2183828, МПК GO1N 21/47. Способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния / В.Ф. Мышкин, И.А. Тихомиров, В.Н. Цимбал, Б.П. Иваненко. - Опубл. 20.06.2002.

7. Лагунов А.С., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Универсальный электронно-оптический прибор для контроля спектра размеров частиц // Приборы систем управления. 1974, №6. С. 28-30.

Устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния, включающее источник зондирующего излучения - лазер и приемник излучения, рассеянного аэрозолями в измерительном объеме под малыми углами, отличающееся тем, что приемник излучения расположен на консоли с возможностью ее вращения вокруг оси, совмещенной с центром измерительного объема, на консоли расположена соосно с приемником излучения лазерная указка, излучение которой направлено от измерительного объема на измерительную шкалу, причем измерительная шкала расположена от центра измерительного объема на расстоянии, определяемом неравенством

а угол рассеяния рассчитывается по формуле

где - смещение луча лазерной указки на измерительной шкале при повороте консоли на угол θ, мм;

- расстояние между центром измерительного объема и измерительной шкалой, мм;

- погрешность измерения на измерительной шкале, мм;

θ - угол рассеяния, град.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения оптических свойств наночастиц. Измерения проводят с использованием фотометрического шара.

Способ исследования воздушной взрывной волны и устройство для его реализации // 2564690

Изобретение относится к области технической физики и касается способа и устройства для исследования воздушной взрывной волны. В исследуемой среде создают насыщенный пар, близкий к критической точке фазового перехода.

Способ и устройство для выполнения оптического сравнения между по меньшей мере двумя образцами, предпочтительно путем сравнения выбираемых участков, а также применение устройства для выполнения способа // 2562137

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и устройства для оптического сравнения структурированных или неоднородно окрашенных образцов.

Способ аспирационной оптической спектрометрии дисперсной среды // 2560142

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения размеров частиц атмосферного аэрозоля.

Способ оценки световозвращающей способности стеклянных микрошариков для горизонтальной дорожной разметки // 2558628

Изобретение относится к измерительной технике и касается способа оценки световозвращающей способности стеклянных микрошариков для горизонтальной дорожной разметки.

Способ измерения геометрических параметров несферических частиц в жидкости по деполяризованному динамическому рассеянию света и устройство для его осуществления // 2556285

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим методам измерения параметров несферических дисперсных частиц, взвешенных в жидкости. Способ заключается в измерении зависимостей интенсивности рассеянного излучения от времени при нескольких положениях поляризационного анализатора, промежуточных между положением, в котором пропускается излучение с линейной поляризацией, совпадающей с поляризацией возбуждающего излучения (VV), и положением, в котором пропускается излучение с поляризацией, перпендикулярной поляризации возбуждающего излучения (VH).

Устройство для определения коэффициента световозвращения стеклянных микрошариков // 2554284

Изобретение относится к измерительной технике и касается устройства для определения коэффициента световозвращения стеклянных микрошариков. Устройство содержит источник света, фотоприемник, стеклянные микрошарики и открытую сверху емкость.

Неинвазивный способ лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний // 2542427

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике, и может быть использовано для неинвазивной лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний. Для этого проводят исследование биологической жидкости пациента методом лазерной корреляционной спектроскопии, определяют диагностический показатель и диагностируют заболевание по значению диагностического показателя.

Способ раздельного определения вероятностей поглощения и рассеяния фотонов на единицу пути в твердых оптических материалах // 2533538

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик материалов, определяющих световые потери в них, связанные как с поглощением, так и рассеянием. Способ состоит в том, что измерения коэффициента пропускания света производят для двух образцов с различной толщиной, изготовленных из одного и того же исследуемого материала.

Способ определения выраженности блеска шерсти у лошадей и устройство для его осуществления // 2532331

Группа изобретений относится к коневодству и может быть использовано для определения блеска лошади. Для этого используют устройство включающее, по меньшей мере, а) монохроматический или интегральный излучатель, кремниевый фотоприемник с синей чувствительностью в 0,45 микрон (0,12 А/Вт), зелёной чувствительностью в 0,55 микрон (0,23 - 0,3 А/Вт), красной чувствительностью 0,65 микрон (0,4 А/Вт) и возможностью регулировки угла падения или отражения светового сигнала, б) элемент питания, в) индикатор напряжения, снимаемого с фотоприемника, или шкалу пересчета принятого на фотоприемник светового сигнала, г) корпус.

Способ фотометрического определения рения (vii) // 2615613

Изобретение относится к области аналитической химии редких элементов, а именно к способу определения рения (VII), и может быть использовано при определении рения в сточных водах, бедных производственных растворах, алюмоплатинорениевых и алюморениевых катализаторах, в геологических материалах. Способ включает приготовление раствора рения (VII), восстановление его раствором хлорида олова (II) до рения (IV), переведение в комплексное соединение, отделение сорбента от раствора, измерение коэффициента диффузного отражения при 510 нм и определение содержания рения (IV) по градуировочному графику. В качестве сорбента используют кремнезем, химически модифицированный N-(1,3,4-тиодиазол-2-тиол)-N'-пропилмочевинными группами. Техническим результатом изобретения является снижение относительного предела обнаружения, расширение диапазона определяемых концентраций.

Способ аспирационной оптической спектрометрии аэрозоля // 2618597

Изобретение относится к области метеорологии. Способ аспирационной оптической спектрометрии аэрозоля включает направление поляризованного излучения на задерживающую область, перед которой его экранируют. Направленное излучение фокусируют в счетном объеме, находящемся перед экраном, и измеряют излучение за областью, задерживающей направленное поляризованное излучение и пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме. Размер частицы дисперсной среды в счетном объеме определяют по измеренному излучению. Технический результат заключается в повышении точности определения дисперсного состава аэрозоля. 1 ил.

Способ ранней диагностики заболеваний путем оптического измерения физических характеристик нативной биологической жидкости // 2622761

Изобретение относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использовано для исследования физических характеристик нативной биологической жидкости (НБЖ). Для этого через ее анализируемый образец, помещенный в прозрачную кювету, пропускают зондирующий лазерный луч оптического диапазона (ЗЛОД), измеряют характеристики рассеяния ЗЛОД на микро- и наночастицах (МЧ и НЧ) НБЖ с помощью одного матричного фотоприемника (МФП) для получения информации о характеристиках малоуглового динамического рассеяния указанного луча МЧ и по меньшей мере одного одноэлементного фотоприемника (ОЭФП), расположенного в диапазоне углов 30°…150° для получения информации о характеристиках излучения, рассеянного НЧ. Результаты измерений направляют в компьютер для математической обработки (МО). После изучения полученных результатов МО на образец НБЖ оказывают внешнее воздействие, вызывающее изменение флуктуационных характеристик рассеянной мощности, уточняющих или дополняющих после повторных оптических измерений ранее полученные характеристики. Изобретение обеспечивает повышение диагностической информативности исследования характеристик и состояния субмикронных частиц при оптическом анализе методом динамического рассеяния на указанных частицах лазерного излучения в образце нативной биологической жидкости. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 пр.

Способ измерения характеристик деформируемости эритроцитов (варианты) // 2629594

Группа изобретений относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике и может быть использована для измерения характеристик деформируемости эритроцитов. Для этого проводят видеозапись и обработку дифракционной картины, возникающей при рассеянии лазерного пучка на разбавленной суспензии эритроцитов, деформированных в сдвиговом потоке силами вязкого трения, оцифровку этой дифракционной картины, определение формы линии изоинтенсивности, лежащей в области дифракционной картины. При этом интенсивность рассеянного света примерно вдвое меньше интенсивности центрального дифракционного максимума. Также проводят измерение координат полярных точек линии изоинтенсивности хр и yp, лежащих на пересечении данной линии изоинтенсивности с горизонтальной осью координат и с вертикальной осью координат, а также радиусов кривизны R(xp) и R(yp) данной линии изоинтенсивности в указанных полярных точках, с последующим вычислением средней деформируемости эритроцитов s, дисперсии деформируемости эритроцитов μ и коэффициента асимметрии распределения эритроцитов по деформируемости ν по математическим формулам. Группа изобретений позволяет более точно определять уровень интенсивности рассеянного света на линии изоинтенсивности, выбранной для измерений, что существенно упростит процедуру измерений. 2 н.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 2 пр.

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционных элементов (варианты) // 2634372

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента состоит из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, блока обработки и управления. Рассеивающий экран выполняется в виде асферического мениска или оптоволоконного элемента. Видеокамера устанавливается вдоль оси, соединяющей центр рассеивающего экрана и область фокусировки излучения. Технический результат заключается в увеличении скорости и точности контроля в широком диапазоне углового положения дифракционных порядков, а также в упрощении конструкции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ определения эффективной концентрации антискаланта для подавления кристаллизации труднорастворимых солей в воде // 2648351

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в ряде отраслей промышленности для определения эффективной концентрации ингибиторов кристаллизации солей или антискалантов. Способ заключается в том, что готовят серию растворов конкретной технической воды с антискалантом концентрациями от 0,5 до 20,0 мг/л и при температуре, отвечающей технологическим параметрам оборудования, в котором используется техническая вода, затем для свежеприготовленных растворов по экспериментальным данным, полученным методом динамического светорассеяния, строят кинетическую кривую интенсивности роста частиц труднорастворимых солей, по которой определяют значение индукционного периода зародышеобразования, а по графику зависимости значения индукционного периода от концентрации антискаланта τинд=f(Сант) определяют его эффективную концентрацию, принимая время индукционного периода за время пребывания технической воды в технологическом оборудовании с момента введения антискаланта. Достигается повышение надежности и безопасности анализа, а также – экономия антискаланта. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 3 пр.