СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ОПТИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ПРИ ОЦЕНКЕ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
METHOD TO CALIBRATE OPTICAL MEASUREMENT EQUIPMENT IN ASSESSMENT OF AVERAGE DIAMETER OF DISPERSED PARTICLES

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем, и может быть использовано для калибровки фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры частиц, взвешенных в различных дисперсионных средах.
Широко известен способ калибровки измерительных систем путем попеременного ввода в измерительный канал измеряемых и фиксированных эталонных сигналов, автоматического определения в интервалах между эталонными сигналами реальной рабочей преобразовательной характеристики системы по значениям эталонных сигналов путем интерполяции значений измеряемого сигнала в соответствии с опорными эталонными значениями, и дополнительного учета дестабилизирующих факторов [1].
В частности, применительно к фотоэлектрическим устройствам, определяющим размеры и концентрацию дисперсных частиц, известны способы калибровки по известной кривой распределения частиц по размерам в образцовой суспензии [2, 3]. Для этого подготавливают образцовую суспензию с заданной весовой концентрацией частиц [2], или суспензию, содержащую монодисперсные латексные или стеклянные сферические частицы [3]. Затем, используя подготовленные суспензии, проводят измерения калибруемым прибором и вносят необходимые коррективы в его характеристики.
Основной недостаток описанных способов калибровки - трудоемкость и сложность подготовки образцовой суспензии (изготовление микрочастиц, контроль и обеспечение заданных размеров этих частиц, отбор представительной пробы).
Известен, также, способ калибровки фотоэлектрических устройств для измерения размеров дисперсных частиц [3], заключающийся в размещении в зоне регистрации фотоэлектрического устройства частицы заданного размера и приведении ее в возвратно-поступательное движение с заданной частотой, с формированием при этом световых импульсов одинаковой амплитуды и подстройкой чувствительности фотоэлектрического устройства до уровня, при котором количество световых импульсов совпадает с числом пересечений частицей зоны регистрации.
Согласно этому способу в зоне регистрации одновременно не должно находиться более одной частицы, что не подходит для калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики аэрозолей, при которых в зоне регистрации одновременно находится множество частиц (например, метод спектральной прозрачности, метод малоуглового рассеяния). Кроме того, калибровка осуществляется по эталонным частицам, что не снимает проблемы изготовления микрочастиц с заданными размерами.
Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки [4, прототип], при котором измерения выполняются параллельно: калибруемым измерительным устройством и независимым прибором, имеющим точность, достаточную для данной задачи. Например, способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры. В соответствии с этим способом измерения плотности рыбного косяка выполняются одновременно гидроакустической измерительной системой и телевизионной станцией, с последующим определением зависимости гидроакустических характеристик от плотности косяка, определенной визуально.
При калибровке фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры дисперсных частиц, описанный способ имеет преимущество, заключающееся в возможности отказа от образцовых суспензий, благодаря независимому измерению характеристик исследуемой дисперсной системы. Недостатком способа является сложность регулирования характеристик дисперсной системы в процессе калибровки.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемое техническое решение,. является упрощение калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.
уз
и
уз
ср.a
ср.ф
ср.a
ср.ф
Поставленная цель достигается тем что, в известном способе калибровки путем одновременного измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором, с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему с изменяющимися размерами частиц, освещают созданную дисперсную систему периодическими импульсами света, имеющими период, равный периоду ультразвуковых колебаний Т, и длительность Т≤0,1Т,, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой энергию оптических импульсов, поступающих от дисперсной системы, и фотографируют дисперсную систему, определяют средний диаметр дисперсных частиц (d) - по результатам измерений, и (d) - по результатам фоторегистрации, изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют преобразовательную характеристику калибруемой аппаратуры как зависимость величины d от d.
ср.ф
ср.ф
По второму варианту дополнительно при калибровке регистрируют распределение энергии оптического импульса по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений d, используют это распределение в качестве калибровочного уровня, а калибровочную характеристику оформляют в виде базы данных, устанавливающей соответствие полученных распределений энергии заданным значениям d.
Проанализируем значимость перечисленных операций с точки зрения достижения поставленной цели.
Воздействие ультразвуком на жидкость обеспечивает создание дисперсной системы с регулируемым средним радиусом дисперсных частиц (пузырей), поскольку их диаметр зависит от фазы ультразвуковых колебаний и может регулироваться выбором соответствующей фазы. Эту зависимость иллюстрирует график, приведенный на рисунке 1 [5], где Р - давление, создаваемое ультразвуком, R - радиус пузырька.
2
Освещение созданной дисперсной системы короткими периодическими импульсами света, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, обеспечивает выбор требуемого радиуса пузыря. Рассмотрим рисунок 2 [6]. Для получения пузырьков со средним радиусом 150 мкм при интенсивности ультразвука 15 Вт/см необходимы длительность импульса около 5 мкс и запаздывание импульсов света на Δt=10 мкс относительно начала координат, то есть относительно момента, когда давление ультразвука равно нулю.
Таким образом, воздействие ультразвуком на жидкость и освещение дисперсной системы периодическими импульсами света, синхронизованными с УЗ колебаниями, обеспечивает возможность выполнения калибровки без эталонных порошков или суспензий, заменяя их дисперсной системой с регулируемым средним размером частиц.
и
уз
уз
max
min
Требование к длительности светового импульса: Т≤0,1Т, где Т - период ультразвуковых колебаний, обеспечивает снижение неопределенности выбираемого для калибровки размера пузырьков (R-R) до приемлемой величины.
Изменение сдвига фаз Δt (Рисунок 2) между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощности ультразвука, обеспечивает изменение среднего диаметра пузырей и получение количества калибровочных уровней, необходимого для достижения требуемой точности калибровки.
ср.ф
По второму варианту регистрация распределения энергии оптических импульсов по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений d, использование полученных распределений в качестве калибровочных уровней и оформление калибровочной характеристики в виде базы данных расширяют область применения предполагаемого технического решения на приборы, использующие распределение энергии по длинам волн Е(λ) (применяется в методе спектральной прозрачности) или по углам рассеяния Е(φ) (применяется в методах подлой индикатрисы и малоуглового рассеяния).
Осуществление способа иллюстрирует рисунок 3. Здесь пунктирные фигуры и линии соответствуют дополнительным операциям второго варианта.
Калибровочную кювету 1 (прозрачный сосуд с жидкостью, например, с водой) размещают в области регистрации калибруемой аппаратуры. В кювете при помощи ультразвукового излучателя 2 создают область кавитации 3.
Область кавитации освещают импульсным источником света 4, синхронизованным с ультразвуковым генератором 5.
Свет, рассеянный областью кавитации, подают на фотоприемники калибруемой аппаратуры 6 и независимого фоторегистратора 7.
Сочетанием периодических колебаний размеров пузырей под действием ультразвука и синхронного освещения кавитационной области создают стробоскопический эффект, обеспечивая достаточную экспозицию для измерения размеров пузырей калибруемым прибором и фоторегистратором при заданной фазе колебаний размеров пузырей.
Регулируя сдвиг фаз между ультразвуковыми колебаниями и моментами срабатывания импульсного источника света, обеспечивают изменение размеров измеряемых пузырей. Затем измерения и фоторегистрацию повторяют, получая требуемое количество калибровочных уровней.
ср.ф
ср.ф
В способе по второму варианту регистрируют распределения энергии оптических импульсов по длинам волн Е(λ) для заданных значений d, полученные распределения используют в качестве калибровочных уровней, а калибровочную характеристику (зависимость Е(λ) от d) оформляют в виде базы данных.
Таким образом.. действия, перечисленные в описании предполагаемого технического решения, необходимы и достаточны для решения поставленной задачи: упрощения калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.
Предполагаемое техническое решение используется в БТИ АлтГТУ при выполнении госбюджетных НИР кафедрами Физики, Информатики и вычислительной математики для отработки оптической установки, измеряющей размер кавитационных пузырей методом спектральной прозрачности и 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.
Список литературы, цитируемой при составлении заявки
1. Пат. 2262713 Российская Федерация, МПК G01R 35/00. Способ калибровки измерительных систем / Чекушкин В.В., Булкин В.В.
2. West O.C. Standarts for calibration of automatic particle counteurs / - Hydraulics and Pneumatics, July, 1975.
3. Кирш А.А., Двухименный В.А. Усовершенствование и градуировка струйного фотоэлектрического счетчика аэрозолей импа A3. - Коллоидный журнал, 1975, №4.
4. Пат. 2006200 Российская Федерация, МПК А01К 79/00. Способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры и устройство для его осуществления; заявитель Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича - №2006200/С1; заявл. 23.04.1991; опубл. 30.01.1994 (прототип).
5. Brenner M.P., Hilgenfeldt S. and Lohse D. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. - 2002. - V.74. - P.425-483.
6. Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. Межвузовский сборник. Вып.1 ISSN 2223 2656; Бийск. Изд-во АлтГТУ им И.И. Ползунова. 2011. - С.22-26.