Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц

Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОИ:КОМУ СВ ЕТЕЛЬСТВУ

857812 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 190379 (21) 2737378/18-25 с присоединением заявки т49 (23)Приоритет

Опубликовано 230831.бюллетень Й9 31

Дата опубликования описания 2 308В1 (я)м. кл.з

G 01 и 21/85

ГосударствеиимЯ комитет

СССР ио делам изобретеииЯ и открытий (53) УДК 535.242 (088.8) (72) Автор изобретения

В. В. Смирнов

Институт э кспериментальной метеорологии (73) Заявитель (54 ) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК ДИСПЕРСНЫХ

ЧАСТИЦ

Изобретение относится к технике измерения размеров и концентрации дисперсных частиц в газах и жидкостях и может быть применено в химии, метеорологии и др.

Известен прибор для определения размера и концентрации взвешенных в газе или жидкости дисперсных частиц, основанный на измерении количества излучения (света), рассеянного частицами в рабочем объеме прибора, состоящие иэ излучателя (осветителя), фотоприемника излучения, гасителя мешающего излучения и амплитудного анализатора сигналов f1).

I5

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений . вследствие неоднородности зондирующего излучения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц, содержащий источник излучения, пучок которого пересекает поток частиц в рабочем объеме прибора, детектор рассеянного или прошедшего излучения и анализатор амплитуд сигналов f2), Недостатком известного устройства является неоднородноеть облученности освещенности) их рабочего объема, так как для реализации точных приборов, предназначенных для измерения тонкоднсперсных и высококонцентрированных дисперсных частиц необходимо формировать интенсивные и сравнительно небольшие по поперечному сечению пучки света.

Применение лазерных источников света обеспечивает высокую интенсивHocTb пучка.. Однако интенсивность лазерных пучков неоднородна по сечению (в центре она выше, по краям ниже) и чаще всего распределена по гауссовскому закону. Известные сравнительно простые методы формирования ,однородных узких пучков света и равномерно освещенных рабочих объемов не решают задачи как иэ-эа проявления эффекта виньетирования на краях пучка,. так и вследствие проявления подобного же эффекта в тракте приемника излучения.

Поэтому прибегают к.механическому ограничению размеров струи дисперсных частиц, с тем чтобы частицы механически направлять строго в однородную по интенсивности часть светового пучка осветителя. Однако и этот прием не всегда дает нужные результаты

857812 особенно, если дисперсные частицы имеют широкий спектр размеров, так как появляются новые погрешности,связанные с аспирацией и осаждением частиц в узких капиллярах.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц, содержащий источник излучения, пучок которого пересекает поток частиц в рабочем объеме при- бора, детектор рассеянного или прошедшего излучения и анализатор амплитуд, сигналов, введена оптическая система, образующая дополнительный пучок меньшего, чем у первого пучка диаметра в направлении, перпендикулярном движению частиц, причем оптическая система установлена так, что ось дополнительного пучка пересекается с продольной осью потока ис- Щ следуемых частиц нне рабочего объема в поле зрения детектора излучения и расположена над или под зоной однородной освещенности первого пучка, а в анализатор амплитуд сигналов нведены 25 селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени между ними.

Кроме того, выход детектора излучения подключен через селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени к разрешающему и корректирующему входам анализатора амплитуд сигналов, а выход измерителя интервалов времени соединен со вторым входом селектора пар импульсон, причем селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени подключены последовательно к разрешающему входу сигнализатора амплитуд сигналов, В предлагаемом приборе частица, прошедшая рабочий объем, может генери-40 ровать два световых импульса: первый— при пересечении основного пучка, а второй — спустя определенное время дополнительного пучка. Но так как размер (диаметр) BToporo пучка мень- 4 ше, чем первого, то парный импульс появится только в том случае, если частици пройдет через основной пучок в строго определенных и однородно освещенных областях. 50

Ясли пучок осветителя имеет гауссовый профиль, то область высокой и однородной освещенности имеет место при движении частиц вблизи оси основного пучка. В этом случае ось допол( ните1ьного пучка должна находиться в одной плоскости с осью основного пучка в направлении движения частиц.

Тогда все частицы одинакового размера, генерирующие два импульса, дадут одинаковый сигнал, образованный при пересечении основного пучка.

Второй сигнал играет роль вспомогательного и не подвергается амплитудному анализу.

Другими словами, наличие последовательности иэ двух импульсон,разделенных определенным промежутком времени (зависящим от степени разноса пучков), говорит о том, что основной сигнал от данной частицы является неискаженным и может быть подвергнут амплитудному анализу.указанное разрешение на проведение анализа выдает дополнительный селектор пар импульсов, размещенный между фотоприемником и "разрешающим" входом анализатора.

Введение в счетчик оптической системы, формирующей второй дополнительный пучок, позволяет реализовать еще ряд других преимуществ, а именно возможность более точного измерения концентрации частиц эа счет контроля длительности паузы между импульсами н паре, воэможность умень» шения ошибок измерения, связанных с виньетированием в тракте фотоприемника, а также возможность оптикоэлектронного формирования апертуры фотоприемника.

Первое преимущ .cTBQ реализуется с помощью счетчика, у которого упомянута оптическая система размещена на выходе осветителя и выполнена, например, в ниде бипризмы с диафрагмой на одном из ее выходов, а выход фотоприемника подключен также через селектор пар имПульсон и измеритель интервалов времени к разрешающему и к корректирующему входам анализатора, а выход измерителя интервалов времени соединен также со вторым входом селектора.

Вторым преимуществом обладает счетчик, у которого оптическая система выполнена в виде вогнутой отражающей поверхности, например сферического или параболического зеркала, установленного на выходе пучка осветителя иэ рабочего объема, причем фокус зеркала находится в плоскости движения частиц; а фотоприемник также подключен через селектор и измеритель интервалов к разрешающему входу анализатора.

На фиг. 1 показайа функциональная схема счетчика, у которого оптическая система формирования дополнительного пучка расположена на выходе осветителя, а пучок параллелен основному, на фиг. 2 — сечение A-A на фиг.1, на фиг. 3 - cxeMa счетчика, у которого эта система расположена на выходе пучка осветителя из рабочего объема, а дополнительный пучок имеет наклон по отношению к основному.

Фотоэлектрический счетчик содержит источник света 1, световой пучок 2 которого пересекает поток дисперснЫх частиц 3 в рабочем объеме

4(а,б),прибора. Оптическая система формирования пучков включает узел 5 разделения и ориентации пучка, узел

857812

6 уменьшения размера дополнительного пучка 7 и гасителя 8 света. Детектор

9 излучения (рассеянного или прошедшего) включен непосредственно через селектор 10 пар импульсон и измеритель 11 интервалов времени между 5 импульсами в паре к анализатору 12 амплитуд сигналов.

Работают устройства следующим образом.

В устройстве на фиг. 1 пучок ис-. точника света 1 на его выходе делится на два параллельных пучка основной

2 и дополнительный 7 с помощью узла

5 разделения и ориентации, в качестве которого могут быть использованы полупрозрачные призмы, делительные

15 пластинки, специальные диафрагмы и т.д. С выхода узла 6 уменьшения размера пучка, в качестве которого используются, например, уменьшающие объективы, полевые диафрагмы и т.д., 20 формируется узкий дополнительный пучок, направленный параллельно основному до пересечения с осью потока дисперсных частиц 3 (сечение A-A Обоих пучков). 25

Пучки света, прошедшие поток частиц, задерживаются (поглощаются ) гасителями света 8. Рассеянный частицами свет из основного 4а и дополнительного 4б объема воспринимается детектором 9 излучения. Селектор пар импульсов 10 идентифицирует наличие пар импульсов, разделенных заданным (нормированным) интервалом времени, близким времени T пролета частицы между основным и дополнительным . лучом. Такого рода функции может выполнять, например, одностабильный триггер с линией задержки на время

Т во время задающей цепи.

В этом случае, если спустя время 40

Т второй импульс не появляется, то селектор 10 пар импульсов не дает разрешения на анализ первого (рабочего) импульса (из каждой пары импульсон) в анализаторе 12 амплитуд сигналов.

Наличие двух пучков света позволяет достичь еще одного положительного эффекта, повышающего точность измерения счетной концентрации. По- 50 казания фотоэлектрических счетчиков зависят от объемного расхода частиц аэрозоля, оперативный контроль которого представляет весьма серьезную техническую задачу, особенно если датчик находится на расстоянии от оператора. В счетчике (фиг. 1) эту трудность можно преодолеть, контролируя степень отклонения длительности интервала между импульсами в паре от заданного и вводя соответ- 60 ствующие поправки н показания счетчика. С этой целью пары сигналов, прошедшие через селектор пар импуль-. сов,подвергаются временному анализу с помощью измерителя интервалов 65 времени 11, выход которого подключен к анализатору 12 амплитуд сигналов и селектору 10 пар импульсов.

Если объемный расход через прибор изменится, то соответствующим образом изменится скорость движения частиц через рабочие объемы 4а и 4б и длительность промежутка времени T между попаданием частиц в эти объемы.

Измеритель 11 интервалов времени определяет усредненное значение величины отклонения длительности паузы между импульсами в селектированных парах импульсов и выдает сигнал попранки в анализатор амплитуд сигналов и н селектор пар импульсов для коррекции эталонного интервала времени.

Таким образом, наличие оптической системы (устройства 5 и 6), которая формирует дополнительный пучок меньшего диаметра, расположенный параллельно основному н плоскости движения частиц, позволяет снизить погрешности н измерении размеров частиц (за счет селекции сигналов, от частиц, прошедших только через однородно освещенную область в рабочем объеме и дополнительный пучок) и в измерении концентрации частиц за счет контра ля интервалов времени между попаданием частицы в основной и дополнительный рабочие объемы фотоэлектрического счетчика и введения соответствующих поправок в показание анализатора амплитуд сигналов.

Дополнительные воэможности повысить точность измерения размеров частиц появляются, если упомянутая оптическая система формирует дополнительный пучок меньшего размера,но направленный под некоторым углом к основному пучку (фиг. 2).

Пучок источника света вначале пересекает поток частиц 3 дисперсных и основном счетном объеме 4а,а затем поступает в систему 5 и 6, формирующую более узкий, по отношению к основному, пучок и направленный под углом к последнему. Эту функцию может выполнить, например, плоское зеркало, установленное под углом к оси основного пучка, пучок, отраженный таким зеркалом, попадает далее на узел 6 изменения размера пучка и направляется под заданным углом к основному пучку через ось потока частиц в направлении на гаситель 8 .света, образуя дополнительный счет« ный объем 4б. Однако можно совместить функции узлов 5 и 6 в одном элементе, если на выходе вучка иэ рабочего объема установить вогнутую отражащую поверхность, в частности сферическое или параболическое зеркало, фокус которого находится в плоскости потока частиц, но вне основного рабочего объема. При этом образуется на, клонный (по отношению к основному) 857812 дополнительный пучок света меньшего диаметра именно н плоскости движения частиц.

Свет, рассеянный частицами из основного и дополнительного счетных объемов, воспринимается детектором

9 излучения. Сигнал с выхода детектора излучения поступает непосредст венно в анализатор 12 амплитуд„ сигналов и на селектор 10 пар импульсов, с выхода которого через измеритель 11 интервалов времени, подается на стробирующий вход анализатора 12 амплитуд сигналов для предотвращения анализа искаженных импульс рв.

Фотоэлектрический счетчик обладает следующими преимуществами:

1. Способность этого счетчика селектировать пары импульсов от частицы, прошедшей только через однородно освещенную зону, сохраняет- 20 ся, но наличие угла наклона между пучками позволяет получить еще один положительный эффект — дополнительно повысить точность измерений размеров частиц за счет селекции сигналов 25 от частиц, прошедших только через определенные участки вдоль оси пучка.

Этим самым можно достичь уменьшения ошибок из-эа виньетирования в тракте фотоприемника, и, кроме того, обеспе- 30 чивается воэможность электрического регулирования продольного (вдоль оси пучка) размера счетного объема 2.

Для селекции пар импульсов по величине паузы между ними используется тот эффект, что длительность паузы

Т. будет различной для частиц, удаленных на разные расстояния от оси потока. Если длительность интервалов

Т, измеренных с помощью измерителя

11 интервалов времени, укладывается 40 в заданные рамки, то с выхода блока

11 в анализатор 12 амплитуд сигналов поступит сигнал разрешения осуществить анализ амплитуды импульса.

Последовательное соединение бло- 45 ков 10, 11 и 12 позволяет, таким образом, вначале осуществить селекцию пар импульсов и, тем самым, устранить ошибки (вызванные неодно. родностью освещенности рабочего объе- 50 ма), затем выявить пары импульсов, длительность паузы между которыми находится в строго определенных пределах, и выдать сигнал разрешения на амплитудный анализ импульса (первого из. пары).

Данный фотоэлектрический счетчик позволяет повысить точность измерений.

Формула изобретения

1. Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц, содержащий источник излучения, пучок которого пересекает поток частиц в рабочем объеме прибора, детектор рассеянного или прошедшего излучения, соединенный с анализатором амплитуд сигналов, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен оптической системой, образующей дополнительный пучок меньшего, чем у первОго пучка диаметра в направлении, перпендикулярном движению частиц, причем оптическая сис ° тема установлена так, что ось дополнительного пучка пересекается с продольной осью потока исследуеж х частиц вне рабочего объема в поле зрения детектора излучения и расположена над или под зоной однородной освещенности первого пучка, а в анализатор амплитуд сигналов введены селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени между ними.

2. Счетчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, выход детектора излучения, подключен через селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени к разрешающему и корректирующему входам анализатора, амплитуд сигналов, а выход измерителя интервалов времени соединен со вторым входом селектора пар импульсов.

3. Счетчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что селектор пар импульсов и измеритель интервалов времени подключены последовательно к разрешающему входу анализатора амплитуд сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 486251, G 01 М 15/00, опублик.

1876.

2, Патент США Р 3614231, G 01 N 15/00, опублик. 1971 (прототип).

857812

fA

Составитель А. Щуров

Техред Т. Маточка

Редактор Н. Рогулич

Корректор Г. Решетник

Эаказ 7230/70 Тираж 907 ПОдписное .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент",г. Ужгород, ул. Проектная, 4