Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 191 01) 224 1 И 15/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕЕНИЯ ВТОРСКОМУ СВИ ЕЛЬСТВ(21) 4343174/31-25 (22) 03.11.87 (46) 07.07,89. Бюл (71) Московский эн гетическии институт(56) Ринкевичюс В.С.,Лазерная анемометрия кных двухфазных потоковжидкостные потоки,-Миним, А.В. Лыкова, АН БСс. 194-208.Клименко А, етод Смирнов нина Г,М.азидисперс - В сб.: Парк, ИТМОР, 1974,иборы П. М конц 8, с трации пыли. -206,для иэмер М,: Химия 1 Я КОНЦЕНТРАЦ 1АЧНО 11 СРЕДИ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕН ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПРОЗР (57) Изобретение отно рольно-измерительной ности к оптическим сп роля параметров диспе осит ся к конттехнике, в частособам контрсных сред, Оно патрол Изобретение-измерительно к оптическим носится к ехнике, в частносособам контроля медицине и при контокружающсй среды,ости, биолопп оле загрязнеп рсных сред раме позволяастиц в определять концентра ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР позволяет определять концентрациючастиц в потоке прозрачной среды иможет быть использовано в электрон -ной промышленности, биологии, медицине и при контроле загрязнения окружающей среды, Цель изобретениясостоит в снижении нижнего предела определяемых концентрации частиц.Сущность изобретения состоит в том,что среду с исследуемыми частицамиподвергают зондированию пересекающимися взаимно когерентными лазерными пучками с различающимися частотами. Сигнал биений фотоприемника селектируют на разностной частоте иопределяют средние значения квадратов фототоков, Попеременно регистрируют сигналы рассеяния из зоны пересечения пучков и области вне зоны ихпересечения, Из отношения среднихквадратов фототоков, относящихся куказанным двум зонам рассеяния, определяют концентрацию частиц. В основу способа положен физический эффект, состоящий в различном влияниина фпуктуации сигнала фотосмешения,флуктуаций числа частиц в областикорреляции рассеяния двух пучков (зна пересечения пучков) и в областиотсутствия корреляции рассеяния двухпучков (вне зоны пересечения пучков)Способ наиболее чувствителен в диазоне малых концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объемепрепятствуют эффективному применению других интегральных методов из-завозрастания статистических погрешностей, 1 ил,потоке прозрачной среды и может быть использовано в электронной промышлен 1492242Цель изобретения состоит в снижении нижнего предела определяемых коццентраций частиц.На чертеже изображена блок-схемаустройства, реализующего способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды,Устройство содержит лазер 1 непрерывного излучения, акустооптическиймодулятор 2, зеркало 3, собирающийобъектив 4, полевую диафрагму 5, фотоприемник 6, селективный частотныйфильтр 7 и блок 8 обработки и регистрации,Способ определения концентрациичастиц в потоке прозрачной среды осуществляется следующим образом,Пучок непрерывного излучения лазера 1 с частотой Ы, направляетсяво входную апертуру акустооптического модулятора 2, на выходе которого, кроме прошедшего пучка с частотойЯ формируется также второй пучок счастотой Ы , распространяющийся наклонно к направлению первого пучка,Разность И, - Ы частот определяется.частотой сигнала, возбуждающегоакустооптический модулятор 2Разность(д, - Ы частот первого и второгопучков выбирается иэ условия(Д, -Ю 14(: -, так как при большей разностиЮчастот вьделение, селекция и обработка сигнала на частоте биений не могут быть выполнены эффективно из-за значительных технических трудностей, С помощью зеркала 3 осуществляется пересечение первого и второго пучков внутри области 9, занятой средой с исследуемыми частицами. Рассеянный частицами свет собирается объективом 4 и регистрируется фотоприемником 6, обеспечивающим фотосмешение сигналов рассеяния первого и второго пучков лазерного излучения, Полевая диафрагма 5, снабженная двумя отверстиями, позволяет попеременно регистрировать рассеянный частицами свет из зоны пересечения первого и второго пучков и из области, лежащей внутри области 9, но вне эоны пересечения пучков, Сигнал биений на разностной частоте (у, - Яг с выхода фотоприемника 6 вьделяетсяс помощью:елективного частотногофильтра 7 и поступает на вход блока8 обработки и региетрации,Представим, что ток фотоприемника6обусловлен фотосмешецием волн,рассеянных и, частицами, облучаемымипервым лазер",ым пучком в объеме Ч,и п частицами, облучаемымц вторымлазерным пучком в объеме Ч, причемобъемы Ч и Чг че пересекаются,Величина тока д, равна10 п иг1,= ВЬбр=1 с=где Ьб - сечение рассеяния для паРЧры частиц р и ц, принад 15лежащих соответственнообъемам Ч и Ч,;В- коэффициент пропорциональности, учитывающий интенсивность облучения, чув 20 ствительность фотоприемника и телесный угол сборасветаПоскольку частицы распределены впотоке хаотично, фазы различных се 25 - лчений Д 1 а не коррелируют и не зависят от флуктуаций числа частиц, попадающих в объемы Чи Ч , В этихусловиях для среднего квадрата токафотоприемника 6 можно записать30и, иг и, иГ, ЬЯР= Ч= р=1 п=где А = ) Ьб 1 - для частиц в объеС35 мах Ч, иЧУчитывая, что и и и - независи-мые случайные величины, посколькуЧ и Чг не пересекаются, получаютг- -д, =В, иигА40Предположим, что первый и второйлазерные пучки пересекаются в объеме ЧТогда токфотоприемника,вызванный смешением волн от разных45 пучков, рассеянных по частицам иОв объеме Ч, равени и,д =Вр=1 9=50Для среднего квадрата тока фотоприемника 6 в этом случае получают- .г г - г1 г=В и Аг,г г огде В - коэффициент пропорциональгности, учитывающий интенсивность облучения, чувствительность фотоприемника ителесный угол сбора рассеянного света,149: 212 10- ,г д. 35 Ч иЧ45 50 длЯ частиц в объеме ЧУчитывая, что при стати".плески однородном распределении частиц в потоке число частиц и имеет пуассооновское распределе 1 е, имеюти =(й ) +иТогдад,=Вгп )+п,)АОтношение д,/дг средних кв ратов токов в этом случае может быть получено из выражения- .гп,пг А В,щ еВыбирая соответствующим образомтелесные углы сбора рассеянногосвета из объемов Ч, Чг и Ч , можнолегко обеспечиь условие А,В,=А Вг,Принимая во внимание, чтоп,пд и Ч,Чй(- )д - и Ч+Чополучают выражение, позволяющее определять концентрацию частиц(д /д ) ЧЧ,Ч,-(-,(д,) Ч. Положительный эффект обеспечивается именно в той области концентраций, где флуктуации числа частиц в счетном объеме становятся достаточ. но велики и другие интегральные методы измерения концентраций не могутэффективно применяться из-за значительных статистических погрешностей. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды, включающий зондирование потока среды с исследуемыми частицами пучком непрерывного лазерного излучения с частотой Од регистрацию рассеянного частицами света фотоприемником, измерение сигнала тока фотоприемника и оцредецецц ц 1 ег цец 1 чце концентрации ча тцц,т л ц ч а ю щ и Й с я тем, что, с целиц снижения цижцего предел оцредецясмых концентраций частиц, допили 1 тсльцо формируют Второй Гучое церерьиного лазерного излучения с частотой Сдг, удовлетворяющий условию и обладающий взаимной когерентцостью с лазерным изцучением первого пучка,осуществляют пересечение первого ивторого лазерных пучков в потокесреды с исследуемыми частицами, арегистрацию рассеянного света осуществляют путем фотосмешения сигналоврассеяния первого и второго лазерныхпучков, выделения сигналов токов фотоприемника ца частоте биений и измерения средцеквадратичнх значенийэтих токов, при этом коцентрацпо 25 п частиц находят из соотношения(д д )ЧоГ Ъг ( 1 г)Чосреднеквадратичное значение тока фотоприемника, вызванного рассеянием света частицаМи, находящимися в зонепересечения первого и второго лазерных пучков;среднеквадратичное значениетока фотоприемника, вызванного рассеянием света частицами, находящимися вне зоныпересечения первого и второго лазерных пучков;счетный объем зоны пересечения первого и второго лазерных пучков;счетные объемы, содержащиечастицы, рассеивающие соответственцо излучения первого и второго лазерных пучков вце зоны их пересечения,1492242 Иваноова Составитель Р. ведактор О. Юрковецкая Техред Л,Сердюк Корректор Л, Патай Заказ 3869/45 Тираж 789 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 1 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 и ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг 01 ул. Гага