Способ определения распределения взвешенных частиц по массе
METHOD OF DETERMINATION OF DISTRIBUTION OF WEIGHED PARTICLES BY MASS

Изобретение относится к технике измерений, в частности, к оптическим методам контроля и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных частиц.
0
Известен способ анализа взвешенных частиц (А.С. SU507807, МПК G01N15/02, опубл. 08.01.1974 г.), основанный на облучении исследуемого объекта электромагнитным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами электромагнитного излучения, в котором с целью повышения точности анализа, облучение осуществляют одновременно обоими видами излучений, регистрируют изменение частоты: моночастотного электромагнитного излучения, а размер частиц находят по формуле: , где η- коэффициент вязкости среды; V - амплитуда скорости частиц под действием акустических колебаний; Δf - максимальное изменение частот отраженного моночастотного электромагнитного излучения; λ - длина волны моночастотного электромагнитного излучения; ρ - плотность частицы; F - частота акустических колебаний. Недостатком способа является сложность реализации, а так же  отсутствие возможности определения распределения частиц по массе.
Известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц (А.С. SU № 1520399, МПК G01N 15/02, опубл. 07.11.1989 г.), заключающийся в том, что в потоке частиц, освещенном неподвижным пучком света, возбуждают акустическое колебание в направлении, перпендикулярном направлению потока и оси пучка, и регистрируют "пачки" импульсов рассеянного частицами света, возникающие при пересечении пучка света колеблющимися частицами, по амплитудам которых судят о размерах частиц, а по средней частоте повторений"пачек" - о концентрации частиц. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения распределения в среде частиц по массе.
Известен способ определения параметров дисперсных частиц (А.С. SU № 1508742, МПК G01N 15/02, опубл. 07.07.1992 г.), заключающийся в том, что объем с дисперсными частицами зондируют пучком маломощного лазерного излучения. Излучение, отраженное частицами назад, оптически смешивают с зондирующим измерением, регистрируют частотный спектр биений, из которого находят распределение частиц по скоростям, затем одновременно с зондирующим лазерным излучением счетный объем подвергают воздействию мощного лазерного импульса на длине волны, отличной от длин волны зондирующего лазера. По изменению частотного спектра биений отраженного зондирующего лазерного излучения определяют распределение частиц по размерам. К недостаткам можно отнести: использование мощной, дорогостоящей лазерной установки, сложность реализации и сложность обработки результатов измерений при большом количестве частиц в среде.
Известен способ  измерения скорости и перемещения исследуемой среды (Пат. RU № 2150707, МПК G01P5/26, опубл. 15.03.1999 г.), заключающийся в том, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды. Недостатком отсутствия возможности определения распределения в среде частиц по массе.
В качестве прототипа выбран способ определения геометрических параметров дисперсных частиц (Пат. RU № 2346261, МПК G01N 15/02, опубл. 10.02.2009 г.), включающий зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного излучения и воздействия импульсов ультразвуковых колебаний и, по регистрируемым динамической составляющей рассеянного и отраженного от дисперсных частиц излучениям, определяют их собственные частоты механических колебаний, из которых находят размер частиц. К недостаткам способа можно отнести сложность реализации и сложность обработки результатов измерений при большом количестве частиц в среде, а так же отсутствие возможности определения распределения частиц по массе.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении точности данных при измерении распределения взвешенных частиц по массе.
Этот результат достигается тем, что способ определения распределения взвешенных частиц по массе, основанный на облучении исследуемого объекта лазерным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами светового потока, в котором для повышения точности определения распределения частиц по массе при неизменных параметрах лазерного излучателя изменяется частота акустических колебаний, при этом отдельные частицы начинают входить в резонанс и происходит изменение частоты рассеянного светового потока за счет доплеровского эффекта, преломленное изображение которого в виде полос, образуемых треугольной призмой, поступает в через объектив ПЗС-матрицу и далее подается в микропроцессорное устройство управления и обработки для определения распределения частиц по массе.
На фиг.1 представлена схема устройства по предлагаемому способу.
Устройство включает следующее: 1- генератор, 2- пьезоизлучатель, 3- поглотитель оптического излучения, 4- акустическое колебание (волна), 5- оптический рассеиватель, 6- смотровое окно, 7 – щель, 8- объектив коллиматора, 9 – двояковогнутая линза, 10- лазерный излучатель, 11 – треугольная призма, 12- объектив, 13- ПЗС- матрица, 14- микропроцессорное устройство управления и обработки.
Способ реализуется следующим образом.
Воздушный поток, содержащий частицы, пропускают через измерительный объем устройства (на фиг. не обозначен). Этот объем подвергают акустическим колебаниям с помощью пьезоизлучателя 2. Частицы, находящиеся в измерительном объёме совершают колебательные движения, которые описываются следующим уравнением:
0
x=x·cos ωt;
0
где: x – амплитуда колебаний частицы;
ω – круговая частота колебаний частицы:
t – время.
При этом амплитуда колебаний частицы равна:
;
0
где: F – амплитуда колебаний силы, действующей на частицу;
m – масса частицы:
0
ω – резонансная частота колебаний частицы;
ω – фактическая частота колебаний частицы;
γ – коэффициент, учитывающий свойства среды, в которой движется частица.
Скорость движения частицы равна:
.
Из данного выражения следует, что скорость частицы зависит от силы, действующей на частицу, массы частицы, частоты колебаний частицы, а также свойств среды, в которой движется частица. Частица достигает максимальной скорости, когда частота колебаний среды совпадает с резонансной частотой колебаний частицы.
Акустические колебания 4 в измерительном объеме создает пьезоизлучатель 2 и генератор 1, частоту которого задает микропроцессорное устройство управления и обработки 14. При монотонном увеличении частоты колебаний среды отдельные частицы входят в резонанс, когда частота свободных колебаний частиц совпадает с частотой колебаний среды. Частота свободных колебаний частицы зависит от массы этой частицы:
.
Следовательно, если увеличивать частоту колебаний среды, то частицы с различной массой начнут последовательно входить в резонанс. Скорость движения этих частиц будет значительно выше скорости движения других частиц, находящихся в измерительном объёме.
Измерение скорости движения частиц осуществляется доплеровским методом. Для этого измерительный объем равномерно освещается монохроматическим светом с помощью лазерного излучателя 10, двояковогнутой линзы 9, оптического рассеивателя 5. Чтобы свет отражался только от частиц, находящихся в измерительном объёме, стенки этого объема обклеены поглотителем оптического излучения 3. Рассеиваемый частицами свет через смотровое стекло 6,  щель 7, объектив коллиматора 8, треугольную призму 11 и объектив 12 поступает в виде спектра на ПЗС-матрицу 13.
Если частицы в измерительном объеме находятся неподвижно, то спектр отраженного от них света представляет собой одну линию, соответствующую частоте излучения лазерного излучателя 10. Эту линию размещают у края ПЗС- матрицы 13. После включения генератора 1 в измерительном объеме наблюдаются колебания среды и частиц, меняется частота отраженного от частиц света, т.е. происходит частотная модуляция лазерного излучения.
Так как движение частиц осуществляется по синусоидальному закону, то происходит увеличение ширины линии спектра. Если группа частиц одной массы входит в резонанс, то происходит увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии спектра. Следовательно, к частотной модуляции монохроматического света добавляется амплитудная модуляция. Ширина полученного спектра несет информацию о массе частицы, находящейся в резонансе, а амплитуда спектра – о процентном соотношении этих частиц относительно их общего числа. Информация о спектре поступает микропроцессорное устройство управления и обработки 14, где происходит определение распределения взвешенных частиц по массе.
Таким образом, рассмотренный способ, в отличие от известных, позволяет существенно повысить точность данных при определении распределения взвешенных частиц по массе.