Устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния
DEVICE FOR SMALL-ANGLE SCATTERING INDICATRIX MEASUREMENT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для измерения характеристик аэрозольных частиц в двухфазных средах оптическими методами, и предназначено для определения функции распределения частиц по размерам. Изобретение может найти применение в химической технологии, коллоидной химии, в технологиях диспергирования жидкости форсунками, при контроле загрязнения окружающей среды и в других отраслях техники для определения характеристик аэрозольных систем.
Известен способ определения дисперсного состава аэрозольных частиц, основанный на измерении малоугловой индикатрисы рассеяния зондирующего излучения [1]. При этом индикатрису рассеяния J(θ) - угловое распределение интенсивности рассеянного частицами излучения - измеряют в диапазоне малых углов рассеяния (θ≤10 градусов), в качестве источника монохроматического зондирующего излучения используют оптический квантовый генератор (лазер), а функцию распределения частиц по размерам определяют решением обратной задачи оптики аэрозолей с использованием теории Ми для расчета факторов эффективности рассеяния одиночных частиц [2].
Обратная задача идентификации функции распределения частиц по размерам по измеренной индикатрисе рассеяния относится к классу «некорректно поставленных» задач математической физики [2]. Получение корректного решения обратной задачи возможно лишь при выполнении жестких требований к точности измерения входной экспериментальной информации, в данном случае - к точности измерения как интенсивности рассеянного излучения J(θ), так и угла рассеяния θ. При низкой точности измерения индикатрисы рассеяния возможно получение так называемых «фантомных» решений, не соответствующих реальной функции распределения частиц по размерам [2].
Известно устройство для измерения света, рассеянного под малыми углами [1], включающее выходную диафрагму и приемную линзу. Измерение интенсивности света, рассеянного частицами в измерительном объеме, проводят в фокальной плоскости линзы за пределами фокального пятна, в котором собран прямой пучок света. Свет, рассеянный под данным углом θ, приходит в фокальную плоскость на заданное расстояние от ее центра. Регистрация индикатрисы рассеяния J(θ) проводится на фотопленку с последующим фотометрированием. Недостатком данного устройства является низкая точность операции фотометрирования, а также искажения за счет рассеяния и преломления света в линзе.
Известны устройства для измерения интенсивности рассеянного зондирующего излучения под разными углами одновременно несколькими фотоприемниками [3], [4]. К недостаткам данных устройств относятся ограниченный дискретный набор углов рассеяния, а также необходимость градуировки каждого фотоприемника из-за разброса их рабочих характеристик.
Известны способы измерения малоугловой индикатрисы рассеяния [5, 6], в которых измерительное устройство включает наряду с прямым пучком зондирующего излучения дополнительный пучок опорного излучения, когерентного с прямым пучком, поступающим на рассеивающий образец. Для каждого угла рассеяния регистрируют и обрабатывают полученную интерференционную картину. Недостатком данных способов является сложная процедура определения J(θ), состоящая из пяти этапов для каждого угла рассеяния, а также сложность юстировки прибора и необходимость дополнительной математической обработки измеренных величин.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния [7], в котором зондирующее излучение гелий-неонового лазера, рассеянное аэрозолем в измерительном объеме, регистрируется одним фотоэлектронным умножителем. Фотоэлектронный умножитель помещен в светозащитный корпус с точечной диафрагмой. При перемещении фотоэлектронного умножителя в плоскости, перпендикулярной направлению зондирующего излучения, измеряют интенсивность рассеянного света под различными углами (индикатрису рассеяния). Недостатком этого устройства является низкая точность регистрации угла рассеяния.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения функции распределения аэрозольных частиц по размерам методом малоугловой индикатрисы рассеяния за счет снижения погрешности измерения как угла рассеяния θ, так и интенсивности рассеянного излучения J(θ).
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния, включающее источник зондирующего излучения - лазер и приемник излучения, рассеянного аэрозолями в измерительном объеме под малыми углами. Приемник излучения расположен на консоли с возможностью ее вращения вокруг оси, совмещенной с центром измерительного объема, на консоли расположена соосно с приемником излучения лазерная указка, излучение которой направлено от измерительного объема на измерительную шкалу, причем измерительная шкала расположена от центра измерительного объема на расстоянии, определяемом неравенством
,
а угол рассеяния рассчитывается по формуле
,
где  - смещение луча лазерной указки на измерительной шкале при повороте консоли на угол θ, мм;
- расстояние между центром измерительного объема и измерительной шкалой, мм;
- погрешность измерения  на измерительной шкале, мм;
θ - угол рассеяния, град.
Полученный положительный эффект изобретения связан со следующими факторами.
1. Использование консоли позволяет плавно регулировать ее угол поворота и тем самым угол рассеяния θ лазерного излучения (Фиг. 1).
2. Использование одного приемника излучения, расположенного на консоли, позволяет повысить точность измерения интенсивности рассеянного излучения J(θ) по сравнению с использованием набора приемников с разбросом рабочих характеристик и упростить юстировку установки.
3. Угол рассеяния лазерного излучения рассчитывается по измеренным значениям расстояния  - между центром измерительного объема и смещения  луча лазерной указки при повороте консоли на угол θ (Фиг. 1):
.
4. Использование лазерной указки позволяет увеличить точность измерения угла рассеяния лазерного излучения.
Угол рассеяния рассчитывается по формуле
Поскольку , погрешность измерения θ определяется погрешностью измерения смещения , луча лазерной указки на измерительной шкале.
Зададим относительную погрешность измерения  не более 1%:
Тогда из (2) следует:
Подставим (3) в (1), получим
Из (4) следует условие для выбора
Для минимального значения угла рассеяния θ=1 град из (5) следует
Таким образом, для обеспечения погрешности измерения θ с погрешностью не более 1% расстояние  должно удовлетворять неравенству
.
В частности, при , величина .
Пример реализации изобретения
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния, предназначенная для исследования дисперсности капель в факеле распыла форсунки.
Устройство состоит из форсунки для распыливания жидкости 1, создающей факел распыла 2 в измерительном объеме 3. Источник излучения - лазерный модуль 4. Луч лазера поступает в измерительный объем 3 и через систему диафрагм 5 поступает в приемник излучения 6, установленный на консоли 7, имеющей ось вращения 8. Вращение консоли обеспечивается микрометрическим винтом 9. Соосно с приемником излучения на консоли укреплена лазерная указка 10 с лучом, направленным в противоположную от измерительного объема сторону на укрепленную вертикально измерительную шкалу.
Устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния работает следующим образом. После юстировки в форсунку 1 под давлением подается рабочая жидкость, в результате чего образуется факел распыла 2. Вращением микрометрического винта 9 изменяется угол наклона консоли 7, и приемник излучения 6 с диафрагмами 5 выходит из прямого лазерного луча. Теперь в приемник излучения 6 через его входную апертуру 5 может попадать только рассеянное под малым углом зондирующее излучение лазера. Регистрирующей аппаратурой измеряется интенсивность рассеянного под этим углом излучения. Лазерная указка 10, расположенная соосно с приемником излучения на консоли, покажет на измерительной шкале 11 точку отсчета, смещение которой  от «нулевой» пересчитывается в угол рассеяния излучения. Продолжение этой процедуры по следующим углам вращения консоли позволяет определить индикатрису рассеяния излучения.
Таким образом, пример реализации показывает, что устройство для измерения малоугловой индикатрисы рассеяния обеспечивает повышение точности определения функции распределения аэрозольных частиц по размерам методом малоуглового рассеяния за счет снижения погрешности измерения угла рассеяния и интенсивности рассеяния излучения. Эффективность изобретения подтверждена измерениями дисперсности состава капель в факеле распыла эжекционной и центробежной форсунок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шифрин К.С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию // В сб. «Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света» / Под ред. Б.И. Степанова и А.П. Иванова. - Минск: Наука и техника, 1971. - С. 228-244.
2. Архипов В.А., Бондарчук С.С. Оптические методы диагностики гетерогенной плазмы продуктов сгорания: Учебное пособие. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. - 265 с.
3. Kudryashova О.В., Akhmadeev I.R., Pavlenko А.А., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S. // Key Engineering Materials. 2010. Vol. 437. P. 179-183.
4. Пат. РФ 2525605, МПК G01N 15/02, G01N 21/47. Способ и устройство для оптического измерения распределения размеров и концентраций дисперсных частиц в жидкостях и газах с использованием одноэлементных и матричных фотоприемников лазерного излучения / В.Г. Певгов, Н.В. Певгова. - Опубл. 20.08.2014.
5. АС СССР 1323927, МПК GO1N 21/47. Способ измерения индикатрисы рассеяния / И.Л. Максимова, Л.П. Шубочкин, В.В.Тучин. Опубл. 15.07.1987. Бюлл. №26.
6. Пат. РФ 2183828, МПК GO1N 21/47. Способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния / В.Ф. Мышкин, И.А. Тихомиров, В.Н. Цимбал, Б.П. Иваненко. - Опубл. 20.06.2002.
7. Лагунов А.С., Байвель Л.П., Гусев Б.А., Литвинов В.К. Универсальный электронно-оптический прибор для контроля спектра размеров частиц // Приборы систем управления. 1974, №6. С. 28-30.