Устройство для измерения размеров микрочастиц в жидкости

(51)5 О 01 й 15/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН СВИ ЛЬСТВУ К АВТОРСКО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗВ ЖИДКОСТИ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯМЕРОВ МИКРОЧАСТИЦ ния: местопогожееделяемое расстоавной плоскостью ва и кюветной с исрасположением диветы, соответствует нений сигнала от исследовании раз(57) Сущность изобрете ние счетного объема, опр янием между задней гл фокусирующего объекти следуемой жидкостью и афрагмы относительно кю минимуму суммы откло среднего значения при личных жидкостей, 3 ил,нные гоизыи 5-56 ти; ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Львовский государственный университет им. И, ф ранка(72) А,П,Билый, В,Б,Гетьман, Б;ГИКучер, В,МЛ укьянец, В.Г.Саваневский и А.К.Школьный (56) Беляев С.П, и др, Оптико-электро методы излучения аэрозолей. М.: Энер дат, 1981, с;81-83.Крылов В,А, и др. Автомг ань счетчик взвешенных частиц ости, - Измерительная техника, 1986 5 Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля твердых примесей в высокочистых жидких средах,Известны устройства для измерения размеров микрочастиц в жидкости использующие регистрацию вспышек света. рассеянного микрочастицами, пересекающими освеЩенный счетный объем,.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автоматизированный счетчик взвешенных частиц в жидкости. Счетчик состоит из осве, тителя собирающего обьектива кюветы с исс. ледуемой жидкостью,в которой фокусируется излучение осветителя, собирающего объектива, диафрагмы, фотоприемника и блока регистрации.. Диафрагма, размещенная в плоскости изображения луча, создаваемого собирающим объективом, вырезает в перетяжке сфокусированного луча зону - счетный объем, Свет, рассеянный микрочастицами, пересекающими луч осветителя, направляется собирающим объективом на фотоприемник и преобразуется в электрический импульс, который поступает на блок регистрации, где проходит дальнейшую обработку. Размер частицы определяется по амплитуде зарегистрированного импульса,В условиях лаборатории один прибор используется для контроля степени очистки высокочистых жидкостей различного химического состава с отличающимися показателями преломления, что вносит дополнительную погрешность в определение размера зарегистрированной микрочастицы. Рассмотрим основные составляющие этой погрешности,Интенсивность оптического излучения рассеянного микрочастицей определяется выражением;2 3 р - ,а ) (1)4 п)2+2 где а - коэффициент пропорциональ б - диаметр микрочастицы;1807337 Вид функции 1 О(п) определяется параметрами оптической части устройства,Целью предлагаемого изобретенияявляется повышение точности измерений за 5 счет уменьшения влияния показателей преломления исследуемых частиц и жидкости;Поставленная цель достигается тем, чтов устройстве для измерения размеров микрочастиц в жидкости, содержащее последо вательно расположенные осветитель,фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного излучения, сопряженный через собираю щий объектив и диафрагму со счетным объемом,и блок регистрации, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном объеме выражения;20(3) К 2П 2 - П 2п 3 + 2 п 2 6Зр=О - - 1 оЯо 4) Из выражения (4) следует, что измерение показателя преломления жидкости приводит к изменению интенсивности рассеянного света. Так для полистирольных сферических 30 частиц с показателем преломления п=1,58 интенсивность рассеянного света в воде с п=1,33 и серной кислоте с п=1,43 будет отличаться примерна в 2,3 раза.Вторая составляющая ошибки измере ния величины рассеянногосигнала возникает по причине изменения самого 10- интенсивности излучения, воздействующего на частицу,Рассмотрим формирование счетного 40 объема согласно схеме установки,изложенной в прототипе.Осветитель создает пучок оптического излучения, который фокусируется объекти-вом в кювете с исследуемой жидкостью и 45 создает в счетном объеме определению интенсивность светового потока. Счетный объем определяется создаваемым собирающим , объективом изображением диафрагмыустановленной йеред фотоприемником. При из менении показателя преломления жидкости в кювете ход лучей изменится (пунктирная линия), что приведет к изменениюдиаметра пучка излучения в сечении, соответствующем местоположению счетного объема и, соответ ственно, интенсивности света в счетном объеме, Следовательно, можно записать: 1 о= 1 о(п).10 - интенсивность падающего излучения;в - относительный показатель преломления частицы;4А - длина волны зондирующего излучения в исследуемой жидкости,Поскольку микрочастица находится в жидкости, то справедливы следующие соотношения: гдв п 2 - показатель преломления частицы; и - показательпреломления жидкости. где Ж - фпина волны излучеНия в вакууме. Из (1), (2), (3) получаем; где пьп 1- показатели преломления, соответственно 1-й и 1-й исследуемых жидкостей;пг - показатель преломления микрочастиц,К - число исследуемых жидкостей,А(п 1),А(п) - интенсивность излученияосветителя в счетном объеме при проведенииизмерений, соответственно, в 1-той и )-тойжидкости, Изобретение поясняется фиг,1-3,На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства;Устройство состоит из осветителя 1, фо-кусирующего объектива 2; формирующегоперетяжки пучка света осветителя в кювете3 с исследуемой жидкостью, собирающегообъектива 5, установленной сзади него вплоскости изображения зондирующего пучка света диафрагмы б, фотоприемника 7,преобразующего рассеянный микрочастицами свет в электрические импульсы, блокарегистрации 8 Устройство работает следующим образом.Микрочастицы,взвешенные в исследуемой жидкости, пересекая счетный объем 4, рассеивают свет, который концентрируется собирающим объективом 5 в плоскости диафрагмы б и регистрируется фотоприемником 7. По величине зарегистрированного фотопри- емника сигнала определяется размер микро- частиц блоком регистрации 8,1807337 которого эта величина наименьшая, будет проводить измерения с минимальными погрешностями. Следовательно, нужно подбирать расположение кюветы с исследуемой 5 жидкостью и размещение счетного объемаотносительно зондирующего луча таким образом, чтобы достигло минимума выражение:Ф 1(12) где О - сигнал от частицы при измерении в15 ) тои жидкости,М - число жидкостей;Ос - среднее значение сигнала.Среднее значение сигнала от частицыравно:(9) О=Э о(п)Я(п) где 2 24 пг+2 пги продифференцировав (9), учитывая (8) 30 .получим условие независимости величины сигнала.от показателя преломления жидкости: КЗ о(п)пу 1(14) к Я(п) б,4(п)=-А(п)дЯ(п), (11) 35 которое соответствует выражению (6),Рассмотрим, в качестве примера, рас-.40 чет геометрических параметров устройства,. макет которого изготовлен на предприятии. В качестве осветителя используется Не-Йе одномодовый лазер, характеризующийся гауссовым расп ределением интен сивности в поперечном сечении пучка,Более подробно ход световых лучей показан на фиг.2.фокусирующий объектив с главнымиплоскостями Н 1 Нг преобразует исходный пучок в пучок, имеющий конфокальный параметр Во и перетяжку диаметром во на расстоянии Ьо от задней главной плоскости фокусирующего объектива, Если разместить по ходу светового пучка на расстоянии 55 а От задней Главной плоскости фокусирующего объектива кювету с исследуемой жид.костью, имеющей показатель преломления .и, то ход лучей изменится и перетяжка будет смещена. При этом конфокальный параметр пучка в жидкости, его диаметр в перетяжке. Величина зарегистрированного фотоприемником сигнала, при пересечении микрочастицей счетного объемапропорциональна интенсивности рассеянного микрочастицей света. Учитывая (4) и (5) можно записать: Эг бб 4 п 2 п 2пг +2 п где О - величина зарегистрированного сигнала;у. - коэффициент пропорциональности.Для идеального устройства величина сигнала не зависит от показателя преломления жидкости, что соответствует условию:фО=сап зт, (8) Переписав (7) в виде; Я(п) в выражении (11) зависит от показателя преломления исследуемой жидкости.Величина до(п), зависит и от параметров оптической системы устройства. Подбирая соответствующим образом расстояние от фокусирующего объектива до кюветы, а также положение счетного объема,в сфокусированном пучке можно добиться полной или . частичной компенсации изменения сигнала эа счет Я(п) изменением интенсивности зондирующего излучения, Точного выполнения условия (11), соответствующего идеальному устройству, можно добиться лишь для узкого интервала показателей преломления жидкостей, Поэтому, для реального устройства, нужно минимизировать разброс измеренных сигналов в известных жидкостях, для контроля которых применяется устройство,Для характеристики качества работы устройства будем пользоваться суммой относительных отклонений сигналов от среднего значения при измерениях во всех видах контролируемых жидкостей, Устройство, для гОс 7 4 - , 3(П)П (13)б 1 4 пг п4 К п+2 п ф где п - показатель преломления 1-той исследуемой жидкости.Учитывая (7) и (13) можно переписать (12) в виде,1807337 8 На фиг,3 приведены рассчитанные наЭВМ графики зависимости зарегистрированного устройством сигнала от показателя преломления исследуемых жидкостей в ин тервале от 1,32 до 152 при рассеянии наполистирольйых микросферах(п=1,58) в случае известного расположения счетного объема - кривая 1, и согласно предлагаемому устройству - кривая 2.10 Для кривой 1 отношение максимального значения сигнала к минимальному равно 550, для кривой 2-13, что свидетельствует о значительном повышении точности измерений при применении предлагаемого устрой ства.для измерения размеров микрочастицв жидкостях.Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить достоверностьконтроля содержания твердых 20 примесей в жидких средах, уменьшая погрешность измерения,о) и пдложение перетяжки Ь удовлетворяетсоотношениям й=йоп(17) Интенсивность излучения в центре гауссова пучка определяется из соотношения:(18) где е- коэффициент пропорциональности;И- диаметр пучка.Диаметр пучка на расстоянии 3 от перетяхски определяется выражением:д 1+ 23 (19)ВВ рассматриваемом случае; Формула изобретения Устройство для измерения размеров 25 микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий обьектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассеянного 30 излучения, сопряженный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объ-емом, и блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е-.с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния по казателей преломления исследуемых частиц и жидкостей, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на расстоянии, определяемом из условия минимума в счетном обьеме выражения:40(20) где Х - расстояние от задней главной плоскости фокусирующего объектива до счетного обьема,Иэ (1 5 К 20) получаем:(21) Подставив (21) в (7), получаем окончательно: ЯВОб п - их . " .(22)пг +2 п 45 Зная показатели преломления жидкостей, которые будут исследоваться, илиинтервал,в котором они находятся, используя (22), рассчитывается сумма относительных 50 отклонений от среднего значения величины зарегистрированного сигнала для различных значений а и х (расстояния от задней . главной плоскости фокусирующего обьектива до кюветы и зоны регистрации). Расстоя ния, для которых;. зта величина достигает минимума и выбираются в качестверабочих. об ай В 2 п+4(х. - пЬО+а(1 - п 2 а 4 Д Яп +4(х - пЬо + а(1 - П Х=1 п 5+2 пР Р где п, щ - показатели преломления соответственно 1-й и )-й исследуемых жидкостей;п- показатель преломления микрочастиц;М - число исследуемых жидкостей;Зо(п),Эо(п 1) - интенсивности излучения осветителя в счетном объеме при проведении измерений, соответственно в 1-й и )-й жидкостях1807337Составитель В, Гетьман Редактор Техред М,Моргентал Корректор А, Козо аказ 1373 Тираж Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Га