УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ, ИЗМЕРЯЮЩЕЙ СРЕДНИЙ ДИАМЕТР ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
DEVICE TO CALIBRATE OPTICAL EQUIPMENT THAT MEASURES AVERAGE DIAMETER OF DISPERSED PARTICLES

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем, и может быть использовано для калибровки фотоэлектрических установок, измеряющих размеры частиц, взвешенных в различных дисперсионных средах. Устройство может применяться при отработке промышленных технологий создания дисперсных систем путем распыления жидкостей, технологий ультразвуковой обработки материалов и изделий, а также при экспериментальных исследованиях переноса излучения в дисперсных системах.
Для калибровки оптической аппаратуры, измеряющей средний диаметр дисперсных частиц, могут использоваться дисперсные системы с известными характеристиками, например образцовая суспензия, размещенная в прозрачной кювете, расположенной в рабочей области калибруемой аппаратуры [1].
При использовании такого устройства имеются ограничения по максимальной массе частиц и длительности измерений, так как с ростом массы частицы возрастает скорость ее осаждения. Устройство не позволяет регулировать средний размер частиц в процессе калибровки. Для этой цели приходится использовать несколько суспензий с различными значениями среднего диаметра.
Основной недостаток такого устройства - трудоемкость и сложность подготовки образцовой суспензии (изготовление микрочастиц, контроль и обеспечение заданных размеров этих частиц, отбор представительной пробы).
Этот недостаток позволяют устранить устройства, содержащие дополнительный канал измерения среднего диаметра дисперсных частиц [2, 3]. В качестве технического решения, наиболее близкого к предлагаемому, выбрана установка для измерения размеров и концентрации частиц коллоидно-дисперсных систем [4, прототип].
Установка содержит кювету, измерительный канал и осветительный канал, предназначенный для формирования освещенной зоны в кювете, измерительный канал включает в себя микроскоп и регистратор, а оптический канал - два лазера, установленные соосно с противоположных сторон кюветы, при этом световые потоки обоих лазеров направлены встречно, оптические оси измерительного и осветительного каналов взаимно перпендикулярны, а длины волн лазеров отличаются друг от друга не менее, чем на 12-15%. Кювета размещена на подставке, установленной на основании микроскопа с возможностью вертикального перемещения, а оба лазера закреплены неподвижно на скобе, обладающей возможностью возвратно-поступательного и углового перемещения относительно подставки.
При калибровке оптической аппаратуры, измеряющей средний размер дисперсных частиц, описанная установка имеет преимущество, заключающееся в возможности отказа от образцовых суспензий благодаря независимому измерению характеристик исследуемой дисперсной системы с помощью измерительного канала, включающего в себя микроскоп и фоторегистратор.
Один из недостатков установки - отсутствие системы, обеспечивающей синхронность работы измерительного канала и калибруемой аппаратуры и наведение их на общий измерительный объем. Основным недостатком является невозможность регулирования среднего диаметра дисперсных частиц в процессе калибровки. Использование с этой целью образцовых суспензий с различными значениями среднего диаметра частиц сохраняет основной недостаток - трудоемкость и сложность подготовки образцовых дисперсных систем.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение калибровки за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется с помощью схемы 1.
Устройство содержит кювету с прозрачной жидкостью 8, измерительный канал 10 и осветительный канал 4, предназначенный для формирования освещенной зоны 7 в кювете, причем измерительный канал включает в себя микроскоп 11 и фоторегистратор 12, а осветительный канал - два источника света 5 с различными длинами волн, ультразвуковой генератор 3, ультразвуковой излучатель 6, импульсный блок питания 2 источников света, синхронизатор 1 и калибруемую аппаратуру 9, при этом направления оптических осей измерительного канала и калибруемой аппаратуры пересекаются в освещенной зоне кюветы, один источник света установлен на оптической оси измерительного канала, а второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры, выход ультразвукового генератора подключен ко входу ультразвукового излучателя, а последний помещен в кювету с жидкостью и закреплен в непосредственной близости от освещенной зоны, к выходу импульсного блока питания подключены источники света, управляющий вход синхронизатора соединен с выходом ультразвукового генератора, а выходы синхронизатора соединены с управляющими входами регистратора калибруемой аппаратуры, фоторегистратора и импульсного блока питания источников света.
По второму предлагаемому варианту, дополнительно, оптическая ось второго источника света совпадает с оптической осью калибруемой аппаратуры.
По третьему предлагаемому варианту, дополнительно к первому варианту, калибруемая аппаратура и второй источник света закреплены с возможностью раздельного перемещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного канала.
Устройство работает следующим образом.
Ультразвуковой генератор 3 при помощи ультразвукового излучателя 6, размещенного в калибровочной кювете 8 (прозрачном сосуде с жидкостью, например с водой), создает область кавитации 7, являющуюся дисперсной системой (жидкость -дисперсионная среда, кавитационные пузыри - дисперсные частицы). Импульсный блок питания 2 формирует импульсы тока, под действием которых источники света 5 освещают область кавитации. Синхронизатор 1 обеспечивает постоянный сдвиг фаз между ультразвуковыми колебаниями и импульсами света. Свет, рассеянный областью кавитации, попадает на входы калибруемой аппаратуры 9 и измерительного канала 10. Синхронизатор 1 обеспечивает синхронность освещения, измерения и фоторегистрации.
Область кавитации является дисперсной системой с переменным средним радиусом дисперсных частиц (пузырей), поскольку их диаметр зависит от фазы ультразвуковых колебаний и может регулироваться выбором соответствующей фазы. Эту зависимость иллюстрирует график 1 [5], где Р - давление, создаваемое ультразвуком, R - радиус пузырька.
Сочетание периодических колебаний размеров пузырей под действием ультразвука и синхронного освещения кавитационной области импульсами света создает стробоскопический эффект, обеспечивая, при заданной фазе колебаний, достаточную экспозицию для измерения размеров пузырей калибруемой аппаратурой и измерительным каналом.
Изменение, с помощью синхронизатора, сдвига фаз между ультразвуковыми колебаниями и импульсами света, приводит к изменению среднего размера освещаемых пузырей и обеспечивает необходимое количество калибровочных уровней.
Например, для получения пузырей со средним радиусом 150 мкм (график 1) при интенсивности ультразвука 15 Вт/см необходимы длительность импульса около 5 мкс и запаздывание импульсов света на At=10 мкс относительно начала координат, то есть относительно момента, когда давление ультразвука максимально.
Источники света имеют различные длины волн для исключения влияния измерительного канала на калибруемую аппаратуру.
Второй и третий варианты конкретизируют пункт первого варианта: «второй источник имеет оптическую ось, согласованную с оптической осью калибруемой аппаратуры», для случаев, когда калибруемая аппаратура использует методы спектральной прозрачности или полной индикатрисы рассеяния соответственно.
Таким образом, устройство, описанное в предлагаемом техническом решении, способно решить поставленную задачу: упрощение калибровки за счет замены образцовых суспензий дисперсной системой с регулируемым средним диаметром частиц и синхронизации процессов управления и измерения.
Отдельные блоки устройства представлены в составе:
- генератор ультразвука - УЗТА-0,4Т22-0;
- излучатель ультразвука - полуволновая колебательная система с грибовидным наконечником (разработка «ЛАПА» - лаборатории акустических процессов и аппаратов);
- синхронизатор - доработанный генератор Г5-54 с блоком регулируемой задержки собственной разработки;
- микроскоп - МР-900 (2136) с видеокамерой - ВидеоСпринт /C/G4;
- светодиоды типа: L53SRD-H - красные, L53SGC-H - зеленые, L53SBC-E - синие;
- фоторегистратор - CANON EOS 350D.
Созданная в лаборатории кафедры физики Бийского технологического института АлтГТУ установка, реализующая предлагаемое техническое решение, прошла лабораторные и технические испытания и используется при выполнении госбюджетных НИР кафедрами физики, информатики и вычислительной математики для отработки оптического стенда, измеряющего размер кавитационных пузырей методами спектральной прозрачности и полной индикатрисы рассеяния.
Источники информации
1. Способ калибровки фотоэлектрических устройств для подсчета и измерения размеров частиц дисперсных систем [Текст]: пат. РФ 1080071, МПК G01N 15/02. / Карабегов М.А., Ованесян А.Г., Месропян Э.А., Метревели Г.Т., Карпеев А.А. - №2896358/18-25; заявл. 19.03.80; опубл. 15.03.84, Бюл. №10.
2. Устройство для определения скорости и размеров частиц [Текст]: пат. РФ 2023254, МПК G01N 15/02. / Шиндин С.А., Иванов В.В., Махов И.Л. - №4948660/25; заявл. 24.06.91; опубл. 15.11.94.
3. Анализатор аэрозолей [Текст]: пат. РФ 1701012, МПК G01N 15/02. / Яшин В.А., Кулькин С.Н. - №4754647/25; заявл. 01.11.89; опубл. 20.11.95.
4. Установка для измерения размеров и концентрации частиц коллоидно-дисперсных систем [Текст]: пат. РФ 63066, МПК G01N 15/02. / Положишникова М.А., Артамонова Л.С., Берлова Н.В., Кузичкина Т.И., Макаров-Землянский Я.Я., Миронова Т.Ф., Петров А.О., Поляков П.А., Сапожникова А.И.; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российская экономическая академия им. Г.В. Плеханова» - №2007102599/22; заявл. 24.01.07; опубл. 10.05.07 (прототип).
5. Голых, Р.Н. Моделирование процесса формирования кавитационной области в высоковязких и высокодисперсных жидких средах [Текст] / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелев, С.С.Хмелев // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: межвузовский сборник - Вып.1. - Бийск: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2011. - С.22-26.