Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе

(51)5 0 01 Й 2 САНИЕ ИЗОБРЕТЕН енныи уни П. Романо 01 К 21/1, КОНТРОЛЯ ЧАСТИЦ В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБОБЪЕМНОГО СОДЕРЖАНИЯРАСТВОРЕ Изобретение относится к оптическим средствам исследования и анализа материалов и может быть применено для измерений в твердых и жидких растворах в случае сильнопоглощающих и сильнорассеивающих сред,Известен способ контроля параметров частиц, заключающийся в том, что на среду, содержащую частицы, направляют импульсное монохроматическое излучение от лазера и измеряют коэффициент поглощения в среде оптического излучения, по которому судят о концентрации частиц,Недостатком известного способа является его неприменимость в случае сильнорассеивающих и сильнопоглощающих сред, так как такие среды практически непрозрачны.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптический Ы1728742(57) Использование: анализ материалов, а именно жидких сред с примесями. Сущность изобретения: на.кювету с анализируемой средой направляют монохроматическое излучение лазера и принимают когерентную составляющую излучения, обратно рассеянного, путем сканирования в узком угле (около 1 О) относительно направления обратного рассеяния (180). Контроль проводят сравнением распределения интенсивности регистрируемого излучения по углу с эталонными характеристиками. Это позволяет регистрировать объемные концентрации частиц в растворе до нескольких десятков процентов, 1 ил. способ контроля для измерения содержания взвешенных частиц в потоке текущей среды, заключающийся в том, что на поток 3 текучей среды, содержащей частицы, на- Ы правляют монохроматический луч света, ре- (ф гистрируют излучение, отраженное от поверхности потока, и излучение, рассеян- ф ное в среде, и по величине отношения световых сигналов определяют уровень концентрации взвешенных частиц. Способ основан на том, что амплитуда излучения, Ф отраженного от поверхности потока, линей- ф но зависит от концентрации взвешенныхчастиц, а рассеянный в среде после многократных отражений на частицах сеет имеет постоянную амплитуду. Контроль осуществляют сравнением с эталонным.Недостатком известного способа является неприменимость его к контролю пара510 20 25 30 35 40 метров частиц, в том числе и объемной концентрации их в сильно-рассеивающих и сильнопоглощающих средах. Известный способ применим в области преимущественно малых концентраций, где существует линейная связь между изменением показателя преломления и концентрацией частиц, и позволяет измерить некую усредненную объемную концентрацию, зависящую.как от концентрации частиц в среде, так и от их размеров и оптических характеристик.Целью изобретения является расширение диапазона контролируемых сред на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие.На чертеже изображена схема устройства, реализующая способ.Сущность изобретения заключается в следующем. Если на границу рассеивающей .среды направить плоскую электромагнитную волну, то свет, попадая в среду, претерпевает многократное рассеяние. При этом в рассеянном свете существуют две составляющих. Одна, некогерентная, возникает за счет последовательных перерассеяний на частицах среды, причем на выходе из среды. е гнобом направлении она определяется суммой интенсивностей рассеянного света, 8 средах с большой концентрацией рассеивающих частиц эта составляющая представляет собой диффузное рассеяние, практически не зависящее от направления падающего света. Если обозначить через д угол между направлением падающего и рассеянного света, то для сильнорассеивающей среды отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности падающего излучения 1 ( д)/1 пад не зависитот д,Наряду с некогерентной существует когерентная составляющая рассеянного света. Если в падающем излучении выделить два произвольных луча, то для них существует такой путь рассеянного света, при котором рассеяние от обоих лучей идет по одним и тем же неоднородностям, но строго в противоположных направлениях. При этом два таких выходящих луча будут оставаться когерентными, поскольку фазовые искажения для них строго одинаковы, так как происходят на одних и тех же неоднородностях, только в противоположных направлениях,При рассеянии света в обратном направлении (по отношению к падающему лучу) в окрестности угла Ой 0 разность фаз двух рассеянных луч):й будет близка к нулю И ИНтЕНСИВНОСтЬ 12 ког) РаССЕЯНИЯ От ЭТИХ двух когерентных.лучей будет определятьсявеличиной112(к г (Е 1+ Е 2)2,где Е 1 и Е 2 - поля рассеяния от этих лучей.Если Е 1".Е 2 Е,то2 (ког) 4 Е 2 (1)Интенсивность12("еког) некогерентно-рассеянного излучения определяется как сумма интенсивностей полей рассеяния этихдвух лучей, т,е.(12(неког) (Е 12+ Е 22)2 Е 2 (2) Из соотношений (1) и (2) следует, что интенсивность рассеяния двух когерентных лучей почти в 2 раза превосходит интенсивность некогерентного рассеяния,Дополнительные преимущества использования когерентного рассеяния выявляются в связи с влиянием свойств среды на рассеянное излучение. Некогерентное рассеяние в сильно неоднородных системах практически не чувствительно к параметрам таких систем, поэтому создает равномерный по углам рассеяния фон; Когерентное обратное рассеяние, наоборот, очень сильно зависит от свойств среды, а именно от объемной концентрации частиц, включающей зависимость от размеров частиц, и оптических свойств частиц, причем эта зависимость отражается в величине амплитуды. и полуширины распределения интенсивности обратного рассеяния, Регистрацию когерентной составляющей производят в очень узкой области углов рассеяния, составляющей г 1 относительно направления обратного рассеяния, что определяется условием когерентности. В этом случае заведомо регистрируется полное распределение интенсивности, т.е. с включением тика, так как сам пик регистрируемого излучения уже. Полученное распределение интенсивности сравнивают с эталонным распределением, в качестве которого используют аналогичную характеристику рассеяния для среды с известными свойствами. При установлении отклонения зарегистрированной характеристики от эталонной (по амплитуде пика обратного рассеяния или его полуширине) устанавливают объемную концентрацию частиц в растворе,Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего источник 1 монохроматического излучения (лазер), установленную на пути излучения плоскопараллельную пластину 2, кювету 3 с анализируемым раствором и систему регистрации рассеянного излучения, которая включает длиннофокусную линзу 4, диафрагму 5, приемник 6, причем приемник 6 установлен свозможностью перемещения в фокальной плоскости линзы 4 для сканирования угла рассеяния.Способ осуществляют следующим образом. 5Луч света от источника 1 (лазера) направляют на плоскопараллельную пластину 2, при этом пои отражении от верхней (фронтальной) плоскости пластины 2 луч попадает на кювету 3, заполненную средой, 10 содержащей анализируемые частицы. Луч падает на кювету 3 под углом О, отличным от 90, чтобы исключить нормальное падение и отраженный свет, В контролируемои среде свет рассеивается, рассеянный свет, 15 проходящий через пластину 2 в направлении обратного рассеяния, попадает после фокусировки линзой 4 на диафрагму 5 и приемник б, Толщина пластины 2 подбирается из условия разделения двух лучей, иду щих параллельно на приемник б. После юстировки, проводимой в отсутствие среды для исследования в кювете 3, второй луч поглощается нейтральными фильтрами. При измерениях при наличии среды в кюве те 3 первый луч падает на кювету и многократно рассеивается. Рассеянное назад излучение фокусируют линзой 4 на диафрагме 5, при этом микрометрическим винтом перемещают диафрагму, сканируя ее в фо кальной плоскости линзы и регистрируют угловую зависимость рассеянного назад излучения. перемещение производится в узком угле+1 для регистрации всего распределения. Регистрация рассеянного 35 назад излучения производится регистрирующим фотоумножителем с последующим усилением электрического сигнала, Угловую зависимость рассеянного излучения сравнивают с градуировочной (тарирован ной) кривой рассеяния от среды с частицами известного диаметра и объемной концентрации. По изменению величины максимума кривой и ее полуширины устанавливают объемную долю взвешенных частиц в среде и тем самым производят контроль изменения объемного содержания частиц в среде.Преимущество предлагаемого способа по сравнению в известным заключается в расширении возможностей контроля на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие среды, в которых известный оптический способ не может определить объемные концентрации более 5. При больших концентрациях частиц связь показателя преломления с концентрацией частиц становится нелинейной, причем характер нелинейности зависит от вида частиц, вследствие чего точность измерения при концентрациях более 5 заметно падает, Предлагаемый способ свободен от этих недостатков. Формула изобретения Оптический способ контроля объемного содержания частиц в растворе путем направления на исследуемый раствор моно- хроматического излучения, регистрации, характеристики рассеянного в нем излучения, сравнении этой характеристики с аналогичной, полученной от эталонного образца, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона контролируемых сред, на исследуемый раствор под углом, не равным 90, направляют плоскую волну монохроматического излучения, регистрируют путем сканирования интенсивность коге рентной составляющей рассеянного излучения в области углов +1 относительно направления обратного рассеяния и по отклонению профиля кривой распределения зарегистрированной интенсивности при различных значениях углов от аналогичной эталонной кривой судят об объемном содержании частиц в растворе,1728742 Составитель С.Неп Техред М.Моргента я Редактор М. Янков орректор О. Кундрик роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гага каз 1403 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5