SU741107A1 - Device for measuring dimensions and concentration of particles - Google Patents

Description

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности, к устройствам для определения размеров и концентрации частиц>взвешенных в струе жидкости или газа и может быть использовано, например в океанологии при изучении взвешенного дисперсного материала и донных осадков, содержащихся в морской воде.The invention relates to the field of studying the physical properties of a substance, in particular, to devices for determining particle size and concentration> suspended in a stream of liquid or gas and can be used, for example, in oceanology in the study of suspended particulate matter and bottom sediments contained in sea water.

Известно устройство для обнаружения и счета частиц,находящихся в струе жидкости или газа, основанное на измерении рассеянного частицей узкоколйймированного пучка света (ИA device for detecting and counting particles in a stream of liquid or gas, based on the measurement of a narrow-collimated beam of light scattered by a particle (I

В этом устройстве приемная оптическая система улавливает и направляет· на фотоприемнйк только небольшую часть рассеянного частицей света 20 из одного или нескольких фиксированных телесных углов. Поэтому это устройство .применимо лишь для измерения частиц одинаковой формы и показателя преломления, селективно рас-25 свивающих свет в определенные угловые интервалы.In this device, the receiving optical system captures and directs · to the photodetector only a small part of the light scattered by the particle 20 from one or more fixed solid angles. Therefore, this device is applicable only for measuring particles of the same shape and refractive index, selectively distributing light at certain angular intervals.

Наиболее близким к данному устрой-ству по технической сущности является спектрометр для 'определения раз-эд меров частиц, содержащий систему для формирования струи жидкости с частицами, подлежащими измерению, источник и приемник излучения, световую ловушку, систему для фокусировки пучка света на анализируемую частицу и камеру для сбора рассеянного частицей света, выполненную в виде диффузно рассеивающей сферической поверхности (сферы Ульбрихта) (2].The closest to this device in technical essence is a spectrometer for determining particle size, containing a system for forming a liquid jet with particles to be measured, a radiation source and receiver, a light trap, a system for focusing a light beam on an analyzed particle, and a chamber for collecting the light scattered by the particle, made in the form of a diffusely scattering spherical surface (Ulbricht sphere) (2].

Недостатком этого устройства является то, что в нем для исключения влияния технологических отверстий при многократный отражениях внутри сферической камеры,’необходимо выбирать очень малой приемную апертуру фотоприемника. Вследствие этого, на фотоприемник попадает значительно меньшее количество света, чем рассеянное частицей внутри сферы,что ведет к существенному уменьшению отношения сигнала к шуму, а значит, к ограничению возможности обнаружения частиц малых размеров.The disadvantage of this device is that in it to exclude the influence of technological holes during multiple reflections inside a spherical camera, one needs to choose a very small receiving aperture of the photodetector. As a result of this, a much smaller amount of light enters the photodetector than that scattered by a particle inside the sphere, which leads to a significant decrease in the signal-to-noise ratio, and therefore, to a limited ability to detect small particles.

Цель изобретения - повышение чувствительности устройства к частицам малых размеров и повышение точности .The purpose of the invention is to increase the sensitivity of the device to small particles and increase accuracy.

определения концентрации взвеси.determination of suspension concentration.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве камера выполнена в виде параболического зеркального отражателя, закрытого линзовым конденсатором, передний фокус которого совпадает с фокусом параболического отражателя, через который проходит траектория движения измеряемых частиц, а задний фокус конденсора находится в плоскости диафрагмы, за которой установлен фотоприемник, соединенный с электронным блоком обработки сигналов.This goal is achieved by the fact that in the device the camera is made in the form of a parabolic specular reflector closed by a lens capacitor, the front focus of which coincides with the focus of the parabolic reflector through which the trajectory of the measured particles passes, and the back focus of the condenser is in the plane of the diaphragm behind which the photodetector is mounted connected to the electronic signal processing unit.

На фиг,1 представлена схема устройства; на фиг.2 - разрез А—А на фиг,1;In Fig, 1 presents a diagram of a device; figure 2 - section a — a in figure 1;

Устройство содержит источник 1 непрерывного излучения, например, лазер, выдающий коллимированный пучок света .2, объектив 3 для фокусировки света, камеру 4 с отражающей параболической поверхностью 5,через фокус которой проходит траектория движения б, световую ловушку 7 для поглощения прямого нерассеянного света, систему 8 подачи частиц внутрь камеры, представляющую собой тонкие суживающийся трубки, вставленные одна в · другую, линзовый конденсатор 9, диафрагму 10, фотоприемник 11 (ФЭУ), блок обработки сигнала 12, включающий согласующую схему, многоканальный амплитудный анализатор и счетчик импульсов.The device contains a source of continuous radiation 1, for example, a laser emitting a collimated beam of light .2, a lens 3 for focusing light, a camera 4 with a reflective parabolic surface 5, through whose focus a trajectory of motion b passes, a light trap 7 for absorbing direct non-scattered light, a system 8 of the particle supply inside the chamber, which is a thin tapering tube inserted one into the other, a lens capacitor 9, an aperture 10, a photodetector 11 (PMT), a signal processing unit 12, including a matching circuit, gokanalny amplitude analyzer and pulse counter.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Анализируемая жидкость (газ) с частицами, которые надлежит измерить и подсчитать, подается в камеру 4' с помощью системы 8 подачи частиц. При этом по внешней трубке поступает жидкость или газ, свободный от частиц, а по внутренней трубке прохо. дит жидкость (газ), содержащая частицы. На выходе трубок под действием гидродинамических сил формируется очень тонкая струя, внутри которой движутся частицы. Эта струя пересекает сфокусированный объективом 3 пучок света 2 от источ'ника 1. Точка пересечения траектории движения частиц в струе находится в фокусе отражающей параболической поверхности 5. Когда измеренная частица 6 попадает в сфокусированный луч 2, она рассеивает свет в,, полный телесный угол 4 π . Часть рассеянного частицей света непосредственно падает на линзовый конденсор 9, а другая часть попадает на него, отразившись от зеркальной поверхности 5. Конденсор направляет свет через отверстие диафрагма 10 на фотоприемнйк (фотоэлектронный умножитель) 11, на фотокатоде которого собирается практически весь свет, рассеянный единичной частицей, в полном телесном угле, за исключением прямого пучка. Фотоприемник преобразует световые вспышки от про-.The analyzed liquid (gas) with particles to be measured and counted is supplied to the chamber 4 'using the particle supply system 8. In this case, a liquid or gas free of particles enters through the outer tube, and passes through the inner tube. a liquid (gas) containing particles is produced. At the outlet of the tubes under the action of hydrodynamic forces, a very thin jet is formed, inside which particles move. This jet crosses the beam of light 2 focused by the lens 3 from the source 1. The point of intersection of the particle motion path in the jet is in the focus of the reflecting parabolic surface 5. When the measured particle 6 enters the focused beam 2, it scatters the light at a full solid angle 4 π. Part of the light scattered by the particle directly falls on the lens condenser 9, and the other part falls on it, reflected from the mirror surface 5. The capacitor directs the light through the opening of the diaphragm 10 to the photodetector (photoelectronic multiplier) 11, on the photocathode of which almost all the light scattered by a single particle is collected , in full solid angle, except for a direct beam. The photodetector converts light flashes from pro.

летающих частиц в электрические импульсы, которые поступают в электронный блок обработки сигнала 12, где осуществляется счет общего количества импульсов и распределение их по амплитуде. Так как амплитуда электрического импульса пропорциональна площади сечения частицы, то устройство предварительно калибруют, используя для этого частицы с известными размерами и формой.flying particles into electrical pulses that enter the electronic signal processing unit 12, where the total number of pulses is counted and their amplitude distribution. Since the amplitude of the electric pulse is proportional to the cross-sectional area of the particle, the device is pre-calibrated using particles of known size and shape.

Концентрация частиц, содержащаяся в исследуемой среде, находится делением общего числа зарегистрированных импульсов на количество жидкости (газа), прошедшей через камеру.. ·The concentration of particles contained in the test medium is found by dividing the total number of detected pulses by the amount of liquid (gas) passing through the chamber .. ·

Расчеты показывают, что в данном устройстве на фотоприемник поступает на порядок большее количество света, рассеянное частицей, чем в сферической камере Ульбрихта с внутренней поверхностью из диффузно рассеивающего материала. Это дает возможность увеличить отношение полезного сигнала к шуму, а значит, повысить чувствительность устройства к свету, рассеянному малыми частицами.Calculations show that in this device, the photodetector receives an order of magnitude more light scattered by the particle than in a Ulbricht spherical chamber with an inner surface of diffusely scattering material. This makes it possible to increase the ratio of the useful signal to noise, and therefore, to increase the sensitivity of the device to light scattered by small particles.

Использование устройства для анализа искусственных и естественных дисперсных сред позволяет измерить и .подсчитать частицы с размером до 0,1 mkmj независимо от их формы и оптических свойств, что существенно расширяет измеряемый спектр размеров частиц и, тем самым, повышает точность определения концентрации взвеси в целого.The use of a device for the analysis of artificial and natural dispersed media makes it possible to measure and count particles with a size of up to 0.1 mkmj, regardless of their shape and optical properties, which significantly expands the measured spectrum of particle sizes and, thereby, increases the accuracy of determining the concentration of the suspension as a whole.

Claims (2)

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве камера выполнена в виде параболического зеркального отражател , закрытого линзовым конденсатором , передний фокус которого совпадает с фокусом параболического отражател , через который проходит траектори  движени  измер емых часл-иц , а задний фокус конденсора нахо{цитс  в плоскости диафрагмы, за кото рой установлен фотоприемник, соединенный с электроннЕЛм блоком обработкй сигналов. На фиг,1 представлена схема устройства; на фиг,2 - разрез А-А на фиг,. 1; Устройство содержит источник 1 не прерывного излучени , например, лазе выдающий коллимированный пучок свет . 2, объектив 3 дл  фокусировки света камеру 4 с отражшощей параболической поверхностью 5,через фокус которой проходит траектори  движени  б, световую ловушку 7 дл  поглощени  пр мого нерассе нного света, си тему 8 подачи частиц внутрь камеры, представл ющую собой тонкие суживающийс  трубки, вставленные одна в другую , линзовый конденсатор 9, диа фрагму 10, фотоприемник li (ФЭУ), блок обработки сигнала 12, включающий согласующую схему, многокан.альный амплитудный анализатор и счетчик импульсов. Устройство работает следующим образом. Анализируема  жтидкость (газ) с ча тицами, которые надлежит измерить и подсчитать, подаетс  в камеру 4 с помощью cHCTeNH 8 подачи частиц. При этом по внешней трубке поступает жидкость или газ, свободный от час тиц , а по внутренней трубке прохо. дит жидкость (газ), содержаща  частицы . На выходе трубок под действием гидродинамических сил формируетс  очень тонка  стру , внутри которой движутс  частицы. Эта стру  первоекает сфокусированный объективом 3 пу чок света 2 от источника 1. Точка пересечени  траектории движени  частиц в струе находитс  в фокусе отражающ ей параболической поверхности 5 Когда измеренна  час.тица б попадает в сфокусированный луч 2, она рассеи ,вает свет в.. полный телесный угол 4 л; . Часть рассе нного частицей све та непосредственно падает на линзовы конденсор 9, а друга  часть попадает на него, отразившись от зеркаль ной поверхности 5. Конденсор направл ет свет через отверстие диафрагли 10 на фотоприемийк (фотоэлектронный умножитель) 11, на фотокатоде которого собираетс  практически весь свет, рассе нный единичной частицей в полном телесном угле, за исключе .нием пр мого пучка. Фотоприемник преобразует световые вспышки от про летающих частиц в электрические импульсы , которые поступают в электронный блок обработки сигнала 12, где осуществл етс  счет общего количества импульсов и распределение их по амплитуде. Так как Ш1плитуда электрического импульса пропорциональна площади сечени  частицы, то устройство предварительно калибруют, использу  дл  этого частицы с известными размерами и формой. Концентраци  частиц, содержаща с  в исследуемой среде, находитс  делением общего числа зарегистрированных импульсов на количество жидкости (газа), прешедшей через камеРУ .. Расчеты показывают, что в данном устройстве на фотоприемник поступает на пор док большее количество света, рассе нное частицей, чем в сферической камере Ульбрихта с внутренней поверхностью из диффузно рассеивающего материала. Это дает возможность увеличить отношение полезного сигнала к шуму, а значит, повысить чувствительность устройства к свету, рассе нному малыми частицами. Использование устройства дл  анализа искусственных и естественных дисперсных сред позвол ет измерить и .подсчитать частицы с размером до 0,1 MKMj независимо от их формы и оптических свойств, что существенно расшир ет измер емый спектр размеров частиц и, тем самым, повышает точность определени  концентрации взвеси в целом. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  размеров и концентрации частиц, содержащее источник коллимированнрго излучени , , .световую ловушку, объектив, камеру дл  сбора рассе нного частицами света , фотоприемник, систему подачи частиц в камеру, отличающеес   тем, что, с целью повьашени  чувствительности к частицам малых размеров и повышени  точности определени  концентрации взвеси, камера выполнена в виде параболического зеркального отражател , закрытого линзовым конденсором, передний фокус которого совпадает с фокусом параболического отражател ;через который проходит траектори  движени  измер емых частиц, а задний фокус конденсатора находитс  в плоскости диафрагмы, за кот.рой установлен фотоприемник, соединенный с электронным блоком обработки сигналов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1, Патент США.№3869209,кл,356-103, опублик, 1975. This goal is achieved by the fact that in the device the camera is made in the form of a parabolic mirror reflector, closed by a lens condenser, the front focus of which coincides with the focus of the parabolic reflector through which the motion path of the measured particles passes, and the back focus of the condenser is located in the plane of the diaphragm , behind which a photodetector is installed, connected to an electron-electron signal processing unit. Fig, 1 shows a diagram of the device; FIG. 2 is a section A-A in FIG. one; The device comprises a source of continuous radiation 1, for example, a laser emitting collimated beam light. 2, a lens 3 for focusing light a camera 4 with reflective parabolic surface 5, through the focus of which a trajectory of motion b passes, a light trap 7 for absorbing direct non-diffuse light, and a theme 8 for feeding particles into the camera, which are thin tapering tubes inserted one to the other, lens capacitor 9, diaphragm 10, li photoreceiver (PMT), signal processing unit 12, including a matching circuit, a multichannel amplitude analyzer and a pulse counter. The device works as follows. The analyzed gas (gas) with particles to be measured and counted is fed to chamber 4 with the aid of cHCTeNH 8 particle feed. At the same time, a fluid or gas free from particles flows through the outer tube, and a passage passes through the inner tube. Diet liquid (gas) containing particles. At the outlet of the tubes under the action of hydrodynamic forces, a very thin jet is formed, within which the particles move. This jet is first focused by the lens 3 a beam of light 2 from source 1. The intersection point of the particle trajectory in the jet is at the focus of the reflecting parabolic surface 5 When the measured b particle falls into the focused beam 2, it scatters the light into the full beam. solid angle 4 L; . Part of the light scattered by the particle directly falls on the lens condenser 9, and the other part falls on it, reflected from the mirror surface 5. The condenser directs light through the orifice of the diaphragle 10 to the photodetector (photomultiplier) 11, on which photocathode almost all the light scattered by a single particle in the total solid angle, except for the direct beam. The photodetector converts the light flashes from the flying particles into electrical pulses, which enter the electronic signal processing unit 12, where the total number of pulses is counted and their amplitude is distributed. Since the electric pulse pulse width is proportional to the cross-sectional area of the particle, the device is pre-calibrated using particles with known dimensions and shape. The concentration of particles contained in the test medium is dividing the total number of registered pulses by the amount of liquid (gas) passed through the chamber. Calculations show that in this device a greater amount of light scattered by the particle enters the photoreceiver than Ulbricht spherical chamber with an inner surface of diffusely scattering material. This makes it possible to increase the ratio of the useful signal to noise, and therefore, to increase the sensitivity of the device to the light scattered by small particles. The use of a device for analyzing artificial and natural dispersed media makes it possible to measure and count particles up to 0.1 MKMj regardless of their shape and optical properties, which significantly expands the measured spectrum of particle sizes and, thereby, increases the accuracy of determining the suspension concentration. generally. An apparatus for measuring particle size and concentration, containing a source of collimated radiation, a light trap, a lens, a camera for collecting light scattered by particles, a photodetector, a system for feeding particles into the camera, characterized in that, in order to increase the sensitivity to particles of small dimensions and increase the accuracy of determining the concentration of suspension, the camera is made in the form of a parabolic mirror reflector, closed by a lens condenser, the front focus of which coincides with the focus of the parabolic nical reflector, through which the path of motion of the measured particles, and the back focus of the condenser is in the plane of the diaphragm, for kot.roy mounted photodetector, coupled with an electronic signal processing unit. Sources of information taken into account in the examination of 1, US Patent. №3869209, CL, 356-103, published, 1975. 2. Патент США W3869208, кл, 356 - 102, опублик, 1975 (прототип ) ,.2. US patent W3869208, class, 356 - 102, published, 1975 (prototype),. фуг.гfug.g