СВЕТОВОДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к приборам для измерения и контроля размеров частиц в микро- и наноэмульсиях, коллоидных растворах и взвесях частиц в жидкостях и газах. Измеритель может быть использован в химических технологических процессах, в частности в нефтехимии, в пищевой и медицинской промышленности, в медицинских исследованиях, в производстве наночастиц для электронной и электротехнической промышленности, в контроле состояния рабочих жидкостей в машиностроении и энергетике, т.е. для контроля процессов, в которых производятся или используются коллоидные растворы, эмульсии и взвеси твердых или жидких частиц.
Эмульсии, используемые в промышленности, часто оказываются практически непрозрачными из-за сильного светорассеяния и измерение размеров частиц в них обычными методами спектроскопии оптического смешения требует разбавления эмульсии, обеспыливания и использования специальных оптических кювет. Это не позволяет проводить измерения в реальном времени для оперативного контроля протекающего процесса.
Известны устройства для измерения размеров частиц в жидкости, использующие щупы, помещающиеся непосредственно в исследуемую среду. В этих устройствах предполагается использование линзы между концом щупа, помещенного в исследуемую жидкость, и рассеивающим объемом [1, 2] или интегральной оптики на конце световода [3, 4] или и того, и другого одновременно [5].
В устройстве [6], предназначенном для измерения однократного рассеяния света, предполагается ввод излучения в исследуемый объем и вывод рассеянного света через один и тот же одномодовый световод с конденсором на рабочем конце и применение «кауплера» (устройства для сведения пучков в один световод и развода излучения из одного световода по нескольким).
Все перечисленные известные устройства не обеспечивают удовлетворительное измерение корреляционных функций рассеянного света, так как сам по себе световод не обеспечивает условий пространственной когерентности, а применяемые оптические системы чувствительны к пыли.
Прототипом настоящей полезной модели является устройство для измерения размеров частиц в жидкости с помощью световодов [7]. Это устройство позволяет вводить свет с малой когерентностью в исследуемый объем и выводить рассеянный свет через один и тот же одномодовый световод с применением «кауплера». В этом патенте
считается, что условия пространственной когерентности выполняются за счет применения одномодовых световодов. Многократное рассеяние должно подавляться за счет применения источника света с малой длиной когерентности.
Недостатки прототипа: использование одномодовых световодов приводит к тому, что рассеянный свет, из-за малого объема когерентности и многократного рассеяния, создает огромный некогерентный фон, который не позволит измерять радиусы частиц в мутных средах. Обязательное применение одномодовых световодов приводит к сложной юстировке системы и к ее чувствительности к механическим возмущениям, и кроме того применение разъемов для подключения световодного щупа не предусмотрено. Использования кауплера не позволяет проводить измерения размеров частиц по многократно рассеянному свету отдельно по двум собирающим световодам и не позволяет получить удовлетворительную точность. Известное сопряжение лазера с входным концом освещающего световода, состоящее из одного объектива, не позволяет точно сфокусировать излучение лазера на торец освещающего световода. Поэтому значительная часть мощности лазера рассеивается и не проходит в световод.
Задачи, решаемые предлагаемой полезной моделью:
- расширение функциональных возможностей за счет применения многомодовых световодов и оптического коннектора для подключения световодного щупа;
- повышение точности, достоверности измерений размеров частиц в микро и наноэмульсиях за счет использования двух собирающих световодов;
- получение возможности измерения размеров частиц в условиях многократного рассеяния света в очень мутных (типа молока) эмульсиях;
- повышение устойчивости к механическим возмущениям и эффективности использования интенсивности света источника, вводимой в освещающий световод, за счет применения двух объективов и юстировки лазера в горизонтальных и вертикальных координатах.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для измерения размеров частиц в жидкости с использованием многомодовых световодов, которые выполнены в виде щупа, состоящего из освещающего и двух собирающих световодов, лазера, сопряженного с входным концом освещающего световода и фотоприемника, расположенного на выходном конце собирающих световодов, с возможностью переключения положения выходных концов собирающих световодов с помощью электромагнитного переключателя и с системой обеспечения пространственной когерентности, расположенной перед фотоприемником.
На Фиг.1. и Фиг.2. представлена схема устройства: 1 - лазер с блоком сопряжения с многомодовым освещающим световодом; 2 - фотоприемник; 3 - коррелятор или спектроанализатор; 4 - блок сопряжения собирающий световод - фотоприемник, включающий в себя функцию переключения между двумя собирающими световодами и систему обеспечения пространственной когерентности рассеянного света; 5 - источник питания лазера и фотоприемника; 6 - кабель с тремя световодами (один освещающий и два собирающих); 7 - световодный щуп; 8 - корпус; 9 - освещающий многомодовый световод; 10 - два объектива; 11 - лазер; 12 - коннектор для световодов; 13 - основной собирающий световод; 14 - вспомогательный собирающий световод; 15 - электромагнитный переключатель положения выходных концов собирающих световодов; 16 - объектив; 17 - апертурная диафрагма; 18 - диафрагма, 19 - юстировочное устройство лазера.
Световодный щуп представляет собой три световода 9, 13, 14 собранные в один тонкий цилиндрический или другой удобной формы единый конец 7. Роль источника света играет торец освещающего световода 9. Свет, рассеянный частицами назад, попадает в собирающие световоды 13, 14 и направляется на фотоприемник 2, через устройство сопряжения и выбора площади когерентности 4 (Фиг.1.), состоящее из объектива 16 и диафрагмы 17 (Фиг.2.). Далее с помощью электромагнитного переключателя 15 свет направляется на фотоприемник поочередно с одного или другого собирающего световода.
Радиус частиц r определяется по соотношению ширин спектральных линий, полученных из корреляционных функций рассеянного света, измеренных с помощью собирающих световодов и коррелятора.
Для получения информации о соотношении между ширинами линий однократного и многократного рассеяния и достижения необходимой точности измерений используются два собирающих световода 13 и 14, которые расположены параллельно освещающему световоду 9, (фиг.2). Рабочие концы всех световодов полируются в одной плоскости совместно. Выходные концы световодов 13, 14 в блоке сопряжения световод-фотоприемник крепятся в муфту электромагнитного переключателя (15 на фиг.2), обеспечивающую возможность измерений корреляционных функций рассеянного света в любом из этих световодов. Диафрагма 18, перед катодом фотоприемника, необходима для поочередного измерения рассеянного света, выходящего из одного или другого собирающих световодов, 13 или 14. Соотношение между ширинами линий однократного и многократного рассеяния определяется по соотношению интенсивностей и ширин
спектральных линий, измеренных с помощью собирающих световодов, и используется для определения размеров частиц в условиях многократного рассеяния.
Измерения, проводимые, полезной моделью с многомодовыми световодами, диаметр сердечника которых составляет ~100 мкн, в пробирке с разбавленным латексом совпадают в пределах ошибок ~1,5% с паспортным значением латексных сфер 100±2 нм. Измерения, проведенные в очень мутной среде - 10% раствор эмульсола ЭМУ-1 в воде (смазочно-охлаждающая жидкость), дают значение радиуса частиц r=118.4 нм. Это значение радиуса частиц совпадает измерениями проведенных обычным методом [8], с использованием специальной кюветы и разбавлением раствора для создания условий однократного рассеяния света.
Предлагаемая модель позволяет обходиться без специальных оптических кювет и обеспыливания изучаемой эмульсии. Световодный щуп может быть помещен в емкость любого размера, трубопровод, бочку, кювету и т.д., где необходимо измерять размер частиц. Не требуется юстировки оптической системы, связанной с образцом, а система выборки площади когерентности юстируется и фиксируется до начала эксплуатации устройства.
Предлагаемый метод обладает повышенной устойчивостью к наличию пыли в эмульсии за счет выбора большого объема рассеяния.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Ansari R.R., Suh К.I. Fiber-optic imaging probe. US Patent No 5,973,779 Oct.26, 1999.
2. Meyer W.V., Cannel D.S., Smart A.E. Dynamic light scattering homodyne probe. US Patent No 6,469,787 В1 Oct.22, 2002.
3. Dhadwal H.S. Method and apparatus for determining the physical properties of materials using dynamic light scattering techniques. US Patent No 5,155,549 Oct.13, 1992.
4. Dhadwal H.S. Method and apparatus for submicroscopic particle sizing, and probe therefor. US Patent No 5,815,611 Sep.29, 1998.
5. Keil und Kollegen. Faserdetektor zur Detektion des Streulichtes oder des Fluoreszenzlichtes einer flussigen Suspension. Germany Patent No DE 19725211 C1 Juni 4, 1998.
6. Iwai Т., Ishii К. Dynamic light scattering measurement apparatus using phase modulation interference method. US Patent No US 7,236,250 B2 Jun.26, 2007.
7. Dogariu A., Popescu G., Rajagopalan R. Microrheology methods and systems using low-coherence dynamic light scattering. US Patent No US 6,958,816 B1 Oct.25, 2005.
8. Photon correlation and light beating spectroscopy. Ed. by H.Z.Cummins, E.R.Pike. Plenum Press, New York - London, 1974. Перевод: Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. Под ред. Г.Камминса и Э.Пайка. «Мир», Москва, 1978.