Прибор для определения размеров частиц

(9) (1) 5 0 01 й 15/О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Институт электроники АН БССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1173263, кл. 6 01 й 15/02, 1985.Беляев С,П. и др. Оптико-электронныеметоды излучения аэрозолей. - М; Энергоиздат, 1981, с,111 - 113.Патент США М 4477197, НКИ 356/335,1984,(54) ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ(57) Сущность изобретения; прибор содержит две идентичные оптические схемы, каждая из которых состоит из последовательнорасположенных лазера, отклоняющего зерИзобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оборудованию автоматизированного измерения размеров частиц, и может быть использовано для оценки качества и эффективности ряда технологических процессов, осуществление которых связано с использованием чистых жидких или газообразных сред.Цель изобретения - повышение точности измерения,Поставленная цель достигается тем, что в прибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной кала, светоделителя, коллиматора, двухлучевого интерферометра, в предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды, в опорном - телескопическая система с компенсатором, а его выходы объединены через две диафрагмы, два зеркала, прямоугольную отражательную призму и приемный объектив на один фотоприемник, который через регулируемый усилитель и фильтр подключен к общему двухвходовому анализатору, дополнительно два фотоприемника, оптически сопряженных со светоделителями и соединенных с управляющими входами регулируемых усилителей, причем телескопические системы в предметных плечах обоих интерферометров перпендикулярны и имеют общий узел прокачки, а интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера. 3 ил,плоскости ееобъективов, и фотоприемник, фильтр, подключенный к его выходу анализатор, введены последовательно располо женные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлучевой интерферометр с телескопической системой в предметном плече, установленная Ы перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также в общей фокальной плоскости объективов второй системы, второй фото- приемник, второй фильтр, подключенный ко второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха - Цендера, в опорные плечи интерферометров введены телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих эти систсмы объек 1800318тивов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и их выходы оптически сопряжены с чувствительными площадками соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подклюцены соответственно к первому и второмуфильтрам через управляемые усилители, управляющие выходы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего ичетвертого фотоприемников, оптически связанных через светоделители соответственнос первым и вторым лазерами. 50 55 Введение в прибор для определения размеров частиц новых элементов с их взаимосвязями позволило повысить точность измерений. Точность повышена за счет следующих факторов, В предложенном приборе более четко определены границы измерительной зоны, образованной перпендикулярным пересечением сфокусированных световых потоков, и выбирается наибольшийиз сигналов, полученных от каждого из пересекающихся пучков. В приборе в телескопических системах используются объективы с равными фокусными расстояниями, что обеспечивает равенство интенсивностей опорных и предметных пучков и получение действительно темных интерференционных полос, а так как щели диафрагмы расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии частиц не освещены, в связи с чем значительно уменьшены на выходах фотоприемников шумы лазера и дробовые шумы. В опорные плечи интерферометров введены телескопические системы, идентичные системам в предметных плечах, что обеспечивает совмещение идентичных световых пучков и, следовательно, существенное уменьшение фоновой составляющей. Объединение выходов каждого интерферометра на один фотоприемник позволило удвоить уровень полезного сигнала, Фотоприемники в приборе регистрируют сигналы, каждый из которых представляет собой сумму инвертированного импульса ослабления, импульса рассеяния в направлении распространения освещаемого потока и импульса рассеяния в направлении, перпендикулярном направлению распространения освещающего светового пучка, Это позволяет существенно увеличить амплитуду сигналов от частиц (и как следствие, - отношение сигнал/шум) и уменьшить влияние на них показателя преломления частиц или их материала амплитуда сигналов ослабления практически независит от материала частиц, а регистрация сигналов рассеяния одновременно в двух 15 20 25 30 35 40 45 направлениях усредняет такую зависимость для них),На фиг,1 приведена схема прибора для определения размеров частиц, на фиг,2 - образование в приборе измерительной зоны; на фиг.3 - распределение интенсивностей в пересекающихся сфокусированных световых пучках,Прибор для определения размеров частиц содержит два лазера 1 и 2, отклоняющие зеркала 3 и 4, светоделители 5 и 6, фотоприемники 7 - 10, коллиматоры 11 и 12, два интерферометра Маха-Цендера 13 и 14, в предметных плечах которых установлены телескопические системы 15 и 16, имеющие общий узел 17 прокачки исследуемой среды, а в опорных плечах - телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и 21, диафрагмы 22 - 25, зеркала 26 - 29, прямоугольные отражательные призмы 30 и 31, приемные объективы 32 и 33, регулируемые усилители 34 и 35, фильтры 36 и 37, анализатор 38, Каждый интерферометр включает полупрозрачные зеркала 39 - 42, а также - зеркала 43 - 46, Телескопические системы 15, 16, 18 и 19 состоят соответственно из объективов 47 и 48, 49 и 50, 51 и 52, 53 и 54,Лазер 1, отклоняющее зеркало 3, свето- делитель 5, коллиматор 11 и интерферометр 14 расположены последовательно и оптически связаны. Лазер 2, отклоняющее зеркало 4, светоделитель 6, коллиматор 12 и интерферометр 13 также последовательно расположены и оптически связаны. Интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера и образованы каждый из них соответственно полупрозрачными зеркалами 39, 40 и 41, 42 и зеркалами 43, 44 и 45, 46, В каждом предметном плече интерферометров 13 и 14 расположены телескопические системы 15 и 16, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, э в месте пересечения этих осей, где расположен общий фокус всех четырех объективов указанных систем, установлен узел 17 прокачки исследуемой среды, В опорных плечах интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсатора 20 и 21 в общих фокальных плоскостях их объективов. Выходы интерферометра 13 объединены через две диафрагмы 22, 23, два зеркала 26, 27, прямоугольную отражательную призму 30 и приемный объектив 32 на один фотоприемник 9, Выходы интерферометрэ 14 объединены через две диафрагмы 24, 25, два зеркала 28, 29, прямоугольную отражательную призму 31 и приемный объектив 33 на фотоприемник 10. Фотоприемники 7 и 8 оптически сопряжены соответственно со светоделителями 5 и 6, К выходам фотоприемников 9 и 10 подключены регулируемые световые потоки в узел 17 прокачки исслеусилители 34 и 35, управляющие входы ко- дуемой среды, через который она прокачито ых соединены с выходами фотоприемни- вается с постоянной скоростью,ков 7 и 8. выходы регулируемых усилителей Оси сфокусированных лучей в узле про и 35 связаны через фильтры 36 и 37 с 5 качки пересекаются под прямым углом и анализатором 38. Объективы всех телеско- пучки образуют освещенную зону, вид коточ ских систем имеют равные фокусные рой показан на фиг,2. В освещенной зоне расстояния и расположены на двойном фо- есть общий объем для обоих пересе ающ кусном расстоянии друг отдруга. Компенса- ся потоков, используемый в качестве изме- торы в телескопических системах, 10 рительной зоны, при прохождении которой размещенных в опорных плечах интерферо- частицы регистрируются. В связи с тем, что метров, имеют размеры в сечении, равные длина перетяжки сфокусированных потоков размерам узла прокачки исследуемой сре- значительно превышает ее диаметр, формиды. руется измерительная зона, сечение котоВ приборе для определения размеров 15 рой имеет форму, близкую к квадрату с частиц используются лазеры типа ЛГ - 79 - 1, почти четкими границами, Интенсивность в качестве фотоприемников 7 и 8 примене- вдоль любой оптической оси распределена ны фотодиоды ФД 256, а фотоприемников 9 значительно более равномерно, чем попе- и 10 - фотоумножители ФЭУ - 69. Коллима- рек ее (фиг.3), Так как оптические оси фоку- торы увеличивают сечение потока в четыре 20 сирующих объективов перпендикулярны, в раза. Фокусные расстояния объективов те- измерительной зоне в каждом направлении лескопических систем равны 16 мм, а при- есть два распределения интенсивностей пеемных объективов - 30 мм, Регулируемые ресекающихся пучков и выбор наибольшего усилители построены по схеме суправлени- из любых двух сигналов, полученных при ем коэффициентом передачи напряжением, 25 взаимодействии обоих потоков с частицей, обратно пропорциональным мощности ла- позволяет получать наиболее достоверные зерного излучения, а фильтры - по схеме сигналы, При этом происходит выбор потополосовых усилителей. Анализатор выпал- ка, имеющего по траектории движения часнен в виде двухканального преобразовате- тицы наибольшую интенсивность, и ля амплитуда - код, блока буферных 30 получение измерительной зоны с наиболее регистров, интерфейса и ППЭВМ типа ЕС равномерной освещенностью, Потоки в из, мерительной зоне не интерферируют, такПрибор для определения размеров час- как они не когерентны вследствие использотиц работает следующим образом, вания двух лазеров в приборе.Излучение от лазеров 1 и 2 направляет Излучение, прошедшее узел прокачки, ся отклоняющими зеркалами 3 и 4 на свето- собирается объективом 48 телескопической делители 5 и 6, Прошедшие светоделители системы 15 и объективом 50 телескопиче и 6 световые пучки попадают в коллимато- ской системы 16, выходящие из телескопиры 11 и 12, которые расширяют их. Откло- ческих систем световые пучки параллельны ненные светоделителями пучки, 40 и имеютсечения, равные сечениям входных интенсивность которых значительно мень- пучков, но пространственно обернутые, ше прошедших пучков (единицы процен- Вторые пучки, полученные после деления тов), регистрируются фотоприемниками 7 и полупрозрачными зеркалами 39 и 41, ис. Эти фотоприемники служат для регистра- пользуются как опорные, В опорных плечах ции изменений мощности лазеров. Элект интерферометров помещены телескопичерические сигналы с них подаются на ские системы 18 и 19 с компенсаторами 20 управляющие входы регулируемых усилите- и 21, Назначение этих телескопических сислей 34 и 35. тем состоит в получении опорных потоков,Расширенные коллиматорами световые пространственно обернутых таким обрапотоки направляются в два интерферомет зом, как и предметные потоки, Компенсатора 13 и 14 типа Маха-Цендера, В каждом ры позволяют выравнять оптические пути интерферометре излучение делится полу- предметных и опорных потоков, а также испрозрачными зеркалами 39 и 41 на два рав- ключить регистрацию частиц, которые могных по интенсивности потока, одни из ли бы попасть из окружающей среды в которых зеркалами 43 и 45 направляются в 55 сфокусированное излучение объективами предметные плечи соответствующих интер и 53 телескопических систем 18 и 19, ферометров, где помещены телескопиче- Предметные и опорные пучки в каждом инские системы 15 и 16, Объектив 47 терферометре совмещаются при помощи телескопической системы 15 и объектив 49 зеркал 44, 46 и полупрозрачных зеркал 40, телескопической системы 16 фокусируют 42, Интерферометры юстируются таким об 18003185 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 разом, что на их выходах получают наиболее широкие интерференционные полосы. Щели диафрагм 22 - 25 расположены напротив темных интерференционных полос, где интенсивность близка к нулю.При попадании частицы, находящейся в прокачиваемой исследуемой среде, в измерительную зону, образованную пересечением перетяжек сфокусированных потоков, уменьшается интенсивность предметных пучков интерферометров, т,е. они ослабляются, Это приводит к нарушению равенства интерферирующих потоков и, как следствие, к появлению засветки на темных интерференционных полосах, Формирующиеся при этом за щелями диафрагм 22 - 25 световые сигналы есть не что иное, как инвертированные сигналы ослабления, Они имеют и ол ок ител ь ную пол я р ность относител ьно нулевого уровня, На эти сигналы накладываются (или суммируются) сигналы рассеяния, имеющие такую же полярность, Суммируются с сигналами ослабления два вида сигналов рассеяния: рассеяние вперед и рассеяние под углом 90. Сигналы рассеяния вперед распространяются совместно с прошедшим узел прокачки излучением и образуются от взаимодействия с частицей потока в интерферометре, на выходе которого получают эти сигналы. Сигналы рассеяния под углом 90 образуются от взаимодействия с частицей излучения из другого интерферометра по отношению к тому, на выходе которого они регистрируются. Таким образом, за каждой диафрагмой формируются суммарные световые сигналы, Амплитуда этих сигналов наименее подвержена флуктуациям из-за различия материала частиц, так как методу ослабления присуща сравнительно слабая зависимость сигнала от материала частиц в широком интервале показателей преломления, а суммируемые сигналы рассеяния регистрируются в двух перпендикулярных направлениях, что позволяет проводить их усреднение,Сигналы с двух выходов каждого интерферометра суммируются на фотоприемниках 9 и 10 при помощи зеркал 25 - 29, прямоугольных отражательных призм 30, 31 и приемных обьективов 32, 33, Суммарные сигналы имеют в два раза большую амплитуду, Они посредством фотоприемников преобразовываются в электрические, Электрические сигналы формируются при попадании частиц в освещенную зону крестообразного вида, При этом появление сигналов одновременно с обоих фотоприемников свидетельствует о прохождении частицей измерительной зоны, представляющей общий участок двух пересекающихся потоков освещенной зоны(фиг.2), Если частица попадает в один из потоков освещенной зоны, сигнал формируется на выходе только одного из фотоприемников, Одновременное формирование сигналов с двух фотоприемников не означает равенство их амплитуд, Амплитуды сигналов равны при попадании частицы одновременно в два сфокусированных потока, причем в участки с одинаковой интенсивностью. Если частица попадает одновременно в два потока, но в участки с разной интенсивностью, формируются одновременно два сигнала с разной амплитудой. Задавая допуск на различие амплитуд двух сигналов, можно фиксировать границы измерительной зоны, а меняя его, регулировать размеры этой зоны, В качестве анализируемого сигнала при этом выбирается сигнал с большей амплитудой, так как он наиболее полно отражает размер частицы по причине получения его от участка светового потока с большей интенсивностью,Электрические сигналы с фотоприемников 9 и 10 подаются на регулируемые усилители 34 и 35, Коэффициент усиления этих усилителей меняется в зависимости от величины напряжений, подаваемых на их управляющие входы с выходов фотоприемников 7 и 8. При помощи усилителей осуществляется подстройка амплитуд сигналов при изменениях мощности лазеров и тем самымисключаются связанные с этим погрешности. С выходами усилителей связаны фильтры 36 и 37, которые за счет фильтрации сигналов дают возможность повысить отношение сигнал/шум, Сигналы с выходов фильтров поступают в анализатор 38, В анализаторе сигналы оцифровываются и их коды через буферные регистры памяти и интерфейс передаются в персональную ЭВМ (анализатор выполнен на базе аналого-цифрового преобразователя, буферных регистров памяти, интерфейса и персональной ЭВМ). В ЭВМ коды обоих сигналов сравниваются в пределах заданного допуска и если различие допустимо, выбирается наибольший из кодов, который и подлежит дальнейшему анализу. Далее определяется соответствие кода линейному размеру частицы в микрометрах и отнесение его к соответствующему диапазону искомого распределения размеров частиц, При прохождении новой частицей измерительной зоны операции с сигналами в анализаторе повторяются. Анализатор работает в течение интервала времени, задаваемого при помощи внутреннего таймера ЭВМ, что позволяет определять концентрацию частиц в определенном объеме исследуемой среды, прокачиваемой через узел прокачки с посто10 1800318 55 янной скоростью, Анализатор не обрабатывает сигналы, различие амплитуд которых превышает заданный допуск, Величина допуска задается программным путем в ЭВМ анализатора и может меняться, что позволяет регулировать размеры измерительной зоны, Т.е. измерительная зона в приборе формируется за счет пересечения перетяжек сфокусированных световых потоков и задания допуска на различие сигналов. Анализатор может быть организован и иным образом без персональной ЭВМ, но выполняемые им операции не изменятся.Предлагаемый прибор для ойределения размеров частиц имеет более высокую точность измерений по сравнению с известными, В приборе измерительная зона образуется за счет получения участка пересечения перетяжек сфокусированных световых пучков, фиксация границ этого участка заданием допуска на различие амплитуд сигналов, получаемых на выходах двух интерферометров, и выбора наибольшего из них, что обеспечивает формирование наиболее равномерно освещенной измерительной зоны и существенное уменьшение связанных с этим погрешностей, Так как в интерферометрах совмещаются равные по интенсивности и одинаково пространственно обернутые потоки, а щели диафрагм расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии сигналов не освещены, что обеспечивает снижение уровня дробовых шумов и шумов лазеров, величина которых зависит от величины падающего на фотоприемник потока, Каждый фотоприемник регистрирует сигналы с двух выходов инте рферометров, что дает удвоение амплитуды сигналов. Кроме этого, амплитуда каждого сигнала представляет собой сумму амплитуд сигналов: инвертированного ослабления и двух рассеяния в перпендикулярных направлениях, что также увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов и уменьшает влияние на них природы частиц. Преимуществами прибора для определения размеров частиц являются также возможности регулировки размеров измерительной зоны путем изменения допуска на различие сигналов с двух интерферометров (зто позволяет уменьшать измерительную зону и определять высокие концентрации частиц) и 5 реализации его конструкции без особыхтрудностей.Прибор для определения размеров частиц может найти широкое применение при контроле жидких и газообразных сред, 10 Формула изобретенияПрибор для определения размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, двухлучевой интерферометр, в 15 предметном плече которого установлена телескопическая система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной плоскости его объективов, и фотоприемник, анализатор, фильтр, подключенный к входу 20 анализатора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно расположенные и оптически сопряженные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлуче вой интерферометр, в предметном плече которого установлена вторая телескопическая система перпендикулярно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также и в общей фокальной плоскости 30 объективов второй системы, и второй фотоприемник, второй фильтр, подключенный к второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха-Цендера, в опорные плечи интерферометров введены 35 телескопические системы с компенсаторами, установленными в общих фокальных плоскостях образующих зти системы объективов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и выходы 40 оптически сопряжены на чувствительныхплощадках соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управляемые уси лители, управляющие входы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически связанных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.501800318 55 20 5 ч 44 и 1. 1 иг,Ре Корректор М,Петров Заказ 1159 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Пр водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 р у+ Составитель И,ЛаковТехред М,Моргентал 1,