BG112602A - Безконтактно определяне броя и диаметъра на капки мъгла посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали - Google Patents

Abstract

Изобретението представлява метод и устройство за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали, индуцирани от повърхностен фото-заряден ефект (Surface photo-charge effect), който е силно чувствителен към параметрите на мъглата. За целта, с модулирано лъчение се индуцират електрически сигнали в няколко точки от струята мъгла, като те се променят при промяна на броя и диаметъра на капките. Методът на измерване на броя и диаметъра на капки на мъгла се осъществява посредством лазерно индуциран фото-заряден ефект. Необходимо е потокът на капките да бъде ламинарен и тогава се наблюдава тяхното гравитационно сепариране по размери - най-напред на земята падат най-големите капки, след това следващите по големина и т.н. В няколко точки от зоната на ламинарен поток се измерват сигналите от повърхностния фото-заряден ефект, като разликите между тях предоставят информация за промяната на броя и диаметъра на капките при преминаването им през различните точки на измерване. Устройството за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали, индуцирани от повърхностен фото-заряден ефект, се състои от сензорна система, силно чувствителна към промяна на параметрите на мъглата. Сензорът се облъчва с модулирано лазерно лъчение, а генерираният сигнал се регистрира и визуализира от специално разработен за целта модул. Изобретението и методът позволяват безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, като те могат да се използват за бързо охарактеризиране на мъгли от разнообразни пулверизиращи системи, например.

Description

Методът на измерване на броя и диаметъра на капки на мъгла се осъществява посредством лазерно индуциран фото-заряден ефект. Необходимо е потокът на капките да бъде ламинарен и тогава се наблюдава тяхното гравитационно сепариране по размери най-напред на земята падат най-големите капки, след това следващите по големина и т.н. В няколко точки от зоната на ламинарен поток се измерват сигналите от повърхностния фото-заряден ефект, като разликите между тях предоставят информация за промяната на броя и диаметъра на капките при преминаването им през различните точки па измерване.

Устройството за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали, индуцирани от повърхностен фото-заряден ефект, се състои от сензорна система, силно чувствителна към промяна на параметрите на мъглата. Сензорът се облъчва с модулирано лазерно лъчение, а генерираният сигнал се регистрира и визуализира от специално разработен за целта модул.

Изобретението и методът позволяват безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, като те могат да се използват за бързо охарактеризиран е на мъгли от разнообразни пулверизирани системи, например.

претенции,2 фигури

ОПИСАНИЕ

Безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали

Област на техниката: Изобретението се отнася за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки в струя (изкуствено генерирана мъгла), посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнал от лазерно индуциран повърхостен фотозарядов ефект, в няколко точки от струята Този ефект се използва в електрониката, акустиката, оптоелектрониката, химикотехнологичната промишленост и други.

Предшестващо състояние на техниката:

Охарактеризирането на частици във въздуха или капки е решаващо при изследвания в редица области, като например изследване на качеството на въздуха, охарактеризиране на облаци и мъгли, мониторинг на чисти стаи, изследване на струи и други. В днешно време съществуват различни методи за определяне на броя и размерите на частици, включително капки. Някои от тях използват сепариране за разделяне на частиците по размер, но те не са подходящи за изследване на капки, тъй като са приложими само за твърди частици. Съществуват множество инструменти, които използват оптични методи, базирани на дифракция на Фраунхофер и различни форми на разпръскване на светлината (динамично, статично, и др.), като например, лазерната дифракция, за да определят броя и спектъра на разпределение на диаметъра на частиците. Оптичните техники изискват специфична статистическа обработка на резултатите и резултатът се влияе до голяма степен от използвания конкретно за целта статистически метод. По-съвременни технологии се основават на използването на камери с висока резолюция и анализиране на изображения, като те се използват и за определяне на скоростта на частици. Други техники за визуализиране включват оптична и електронна микроскопия, холография и фотография. При тези методи основен проблем е застъпването на частиците, те също така са и доста скъпи.

Техническа същност:

Изобретението представлява метод за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки в струя, посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнал от лазерно индуциран повърхостен фотозарядов ефект, в няколко точки от струята.

Този ефект се наблюдава при взаимодействие електромагнитно поле - материя. Важна особеност на SPCE е, че генерираният сигнал е специфичен за всеки образец и се променя, ако образецът се промени. Това дава големи възможности за бързо и безконтактно изследване на твърди тела, течности и газове. Някои от възможностите за индустриално приложение, разработени до момента, са за контрол на: полупроводници, керамични изделия, качеството на мляко, неравномерности по повърхност, октаново число на бензин, откриване на фалшиви монети, отлагане на варовик по тръби и др.

Създаден е безконтактен метод, при който само с модулирано лазерно лъчение, се индуцира електрически сигнал. Измерената стойност на сигнала от този повърхостен фото-зарядов ефект /ПФЗЕ/ (surface photo-charge effect /SPCE/) зависи от параметрите на мъглата (брой и размери на капките). Този сигнал се измерва в няколко точки от струята, като е нужно капките да са в ламинарен поток. След измерване на сигнала в първата точка, от стойността му във всяка следваща точка се изваждат сигналите в предишните точки, за да може да се отдели отчетеният сигнал във всяка точка и да се определят параметрите на мъглата. Експериментално е установено, че при генерирането на мъгла, на известно разстояние от дюзата потокът от капки е турбулентен, като след това разстояние потокът преминава в ламинарен. Именно от този момент нататък се наблюдава гравитационно сепариране на капките по размер. Най-напред на земята падат най-едрите капки от потока, а останалите продължават напред. След това падат следващите по големина капки, като най-далеч достигат само най-фините капки.

Да разгледаме малък облак от мъгла, за който ни интересува спектъра на разпределението на диаметъра d на капките по брой Na за всеки диаметър. Нека приемем, че върху облака действа сила F в посока, обозначена на Фиг. 1. Подобна сила може да се създаде по различни начини — например, от постоянен въздушен поток или електростатично поле. Вследствие на действащата сила, капките ще започнат да се преместват в указаното направление, като едновременно с това те ще започнат и да падат. Най-кратък път ще изминат най-тежките капки. Те ще достигнат до точка 1. До там ще се утаят всички капки, които са с размери до di. Съответно до точки 2. 3, 4 и т. н. ще достигнат капки с размери до di, da, di, .... d_n. Можем да измерим с подходящ уред броя на капките Nd за всяка точка. Fog Detector 6 е уред, който е наша разработка и посредством който искаме да реализираме метода си. Той работи на база на повърхностния фото-заряден ефект и е много чувствителен към броя и диаметъра на капките. Идеята е да съпоставим измерваните от него сигнали в различните точки с резултатите от лазерен анализатор на 2 частици. По този начин можем да го калибрираме по броя на капките така, че във всяка точка да имаме сигнал, пропорционален на този Ьрой. Следва да се отчита, че във всяка точка ще има примес и от броя на капките в следващите точки. За да неутрализираме тази добавка, трябва от сигнала в дадена точка да извадим сигнала от следващата точка. Така ще получим електрически сигнал, който е пропорционален само на броя на капките, които са се утаили до тази точка. Например, през точка 1 ще преминат всички капки и от следващите точки. Ще измерим общ сигнал Vin. За да получим сигнал V2, който да е пропорционален само на броя на капките, които са се утаили между точки 1 и 2, трябва да изва лим сигнала от преминалите през точка 2 капки от Vi_n. С други думи, V2 = Vin - Vin. По този начин получаваме информация за броя на капките с диаметри между di и d?. Същото се повтаря за всички следващи интервали. Разпределението по диаметри ще се появява едновременно на дисплея.

Примерно изпълнение:

За да осъществим идеята за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла посредством гравитационно сепариране и измерване на електрически сигнали, извършихме серия от експерименти. Използвахме автоматизирана система за генериране на мъгла и измерихме броя и диаметъра на капките на различни разстояния от дюзата й, с лазерен анализатор на частици. По този начин установихме наличието на гравитационно сепариране на капките, след като струята измине определено разстояние от дюзата в направлението, в което се изстрелва, т.е. когато потокът премине от турбулентен в ламинарен. Зоната на ламинарен поток всъщност е и работната ни зона, в която можем да направим оценка на сепарирането на капките. След това подбрахме пет конкретни разстояния от дюзата, на които направихме измервания с лазерен анализатор на частици, за да определим реалните параметри на генерираната мъгла и по този начин да можем да калибрираме уреда си Fog Detector б. Опитно установихме, че работната зона за системата за генериране на мъгла започва на 120 см от дюзата. Подбрахме пет точки, съответно на 140, 160, 180, 200 и 220 см от дюзата, и измерихме средния размер на капките с лазерен анализатор на частици. Средните диаметри на капките за тези разстояния са съответно 69.415, 67.283, 61.156, 60.780 и 53.509 рм. Максималният измерен диаметър на капките също намалява с увеличаване на разстоянието, като за гореспоменатите разстояния той е съответно 354.020, 297.890, 250.660, 229.932 и 193.476 им. Резултатите потвърждават наличието на сепариране на капките по размер на разстояния, по-юлеми от 120 см от дюзата. Може да се заключи, че е напълно възможно да се калибрира нашето устройство Fog Detector 6 във всяка от петте точки, като се използват резултатите от лазерния 3 анализатор. Всъщност, реалното изпълнение на измерване на капки по безконтактен начин ще включва пет такива устройства, разположени във всяка от петте точки (Фигура 2). При движението на мъглата от една точка до следващата, капките започват да падат под действие на теглото си. Естествено, отначало падат най-големите, във следващата точка следващите най-големи и така се получава разделяне по големина. Във втората точка, например, ще липсват капките, които са паднали между първата и втората точка. Съответно, сигналът трябва да се промени. Тази промяна ни дава броя на капките с този диаметър. Разликата в обработените сигнали между отделните точки ни дават разпределението по големина.

Предимствата на метода, съгласно изобретението, са следните: висока точност на получените резултати, бърз достъп до резултатите, възможност за измервания в реално време, поради което не са необходими сложни съоръжения.

1	2	3	4
dl	d2	d3	d4
VI	V2	V3	V4
Vin	V2n	V3n	V4n

Пояснение на приложената фигура:

Фиг. 1. Гравитационно сепариране на капки в ламинарен поток

Пояснение на приложената фигура:

Фиг. 2. Блок-схема на системата за генериране на мъгла, измерване и визуализиране на нейните параметри: I. водоизточник (6 bar), 2. електромагнитен клапан; 3. устройство за задаване на продължителността на генериране на мъгла; 4. атомизираща дюза; 5. лазерен модул; 6. сензор; 7. предусилвател; 8. измервателен модул (SPCE Meter 1); 9.

усилвател (VLC-1); 10. мооуч за обработка на сигналите и визуализиране.

Claims (2)

Патентни претенции:

1. Метод за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на изкуствено генерирана мъгла, посредством гравитационно сепариране на капките и измерване на параметрите на мъглата, характеризиращ се с това, че се използва автоматизирана система за генериране и насочване на мъглата в ламинарен поток, в който е налично гравитационно сепариране на капките, като в този поток се извършват измервания с лазер, произведен от облъчващ лазерен модул, в няколко точки от струята, като сигналите се регистрират от сензор, работещ на базата на ПФЗЕ, след което се предават към предусилвател, усилените сигнали биват предадени към измервателен модул, след това отново се усилват от усилвател, който ги предава към блок за обработка на сигналите и визуализиране на резултатите за броя и диаметъра на капките във всяка точка.

2. Устройство за безконтактно определяне на броя и диаметъра на капки на мъгла, посредством гравитационно сепариране на капките и измерване на електрически сигнали, характеризиращо се с това, че се състои от автоматизирана система за контролирано генериране на мъгла, включваща водоизточник (1), свързан с маркуч към електромагнитен клапан (2), електрически контролиран от устройство за задаване на продължителността на пръскане (3) и подаващ флуид към атомизираща дюза (4), генерираща и насочваща мъглата в ламинарен поток към система за измерване на сигнали от повърхностен фото-заряден ефект, състояща се от лазерен модул (5), облъчващ мъглата с лазерен лъч, улавян от сензор (6), електрически свързан с предусилвател (7) и измервателен модул (8), също електрически свързан с усилвател (9) и блок за обработка на сигналите и визуализиране на резултатите (10).