RU1800318C - Прибор дл определени размеров частиц - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : прибор содержит две идентичные оптические схемы, кажда  из которых состоит из последовательно расположенных лазера, отклон ющего зеркала , светоделител , коллиматора, двухлуче- вого интерферометра, в предметном плече которого установлена телескопическа  система с узлом прокачки исследуемой среды, в опорном - телескопическа  система с компенсатором , а его выходы объединены через две диафрагмы, два зеркала, пр моугольную отражательную призму и приемный объектив на один фотоприемник, который через регулируемый усилитель и фильтр подключен к общему двухвходовому анализатору, дополнительно два фотоприемника, оптически со- пр женных со светоделител ми и соединенных с управл ющими входами регулируемых усилителей, причем телескопические системы в предметных плечах обоих интерферометров перпендикул рны и имеют общий узел прокачки, а интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера. 3 ил. on С

Description

Изобретение относитс  к оптическому приборостроению, в частности к оборудованию автоматизированного измерени  размеров частиц, и может быть использовано дл  оценки качества и эффективности р да технологических процессов, осуществление которых св зано с использованием чистых жидких или газообразных сред.

Цель изобретени  - повышение точности измерени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в прибор дл  определени  размеров частиц, содержащий последовательно расположенные и оптически сопр женные лазер, коллиматор , двухлучевой интерферометр, в предметном плече которого установлена телескопическа  система с узлом прокачки исследуемой среды в общей фокальной

плоскости ее объективов, и фотоприемник, фильтр, подключенный к его выходу анализатор , введены последовательно расположенные и оптически сопр женные второй лазер, второй коллиматор, второй двухлучевой интерферометр с телескопической системой в предметном плече, установленна  перпендикул рно первой так, что узел прокачки исследуемой среды расположен также в общей фокальной плоскости объективов второй системы, второй фотоприемник , второй фильтр, подключенный ко второму входу анализатора, оба интерферометра выполнены по схеме Маха-Цендера, в опорные плечи интерферометров введены телескопические системы с компенсаторами , установленными в общих фокальных плоскост х образующих эти системы объек00 О О

со

00

тивов, на обоих выходах каждого интерферометра установлены диафрагмы и их выходы оптически сопр жены с чувствительными площадками соответственно первого и второго фотоприемников, выходы которых подключены соответственно к первому и второму фильтрам через управл емые усилители, управл ющие выходы которых соединены с выходами дополнительно введенных третьего и четвертого фотоприемников, оптически св занных через светоделители соответственно с первым и вторым лазерами.

Введение в прибор дл  определени  размеров частиц новых элементов с их взаимосв з ми позволило повысить точность измерений. Точность повышена за счет следующих факторов. В предложенном приборе более четко определены границы измерительной зоны, образованной перпендикул рным пересечением сфокусированных световых потоков, и выбираетс  наибольший из сигналов, полученных от каждого из пересекающихс  пучков. В приборе в телескопических системах используютс  объективы с равными фокусными рассто ни ми, что обеспечивает равенство интенсивностей опорных и предметных пучков и получение действительно темных интерференционных полос, а так как щели диафрагмы расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии частиц не освещены,, в св зи с чем значительно уменьшены на выходах фотоприемников шумы лазера и дробовые шумы . В опбрные плечи интерферометров введены телескопические системы, идентичные системам в предметных плечах, что обеспечивает совмещение идентичных световых пучков и, следовательно, существенное уменьшение фоновой составл ющей. Объединение выходов каждого интерферометра на один фотоприемник позволило удвоить уровень полезного сигнала. Фотоприемники в приборе регистрируют сигналы, каждый из которых представл ет собой сумму инвертированного импульса ослаблени , импульса рассе ни  в направлении распространени  освещаемого потока и импульса рассе ни  в направлении , перпендикул рном направлению распространени  освещающего светового пучка. Это позвол ет существенно увеличить амплитуду сигналов от частиц (и как следствие, - отношение сигнал/шум) и уменьшить вли ние на них показател  преломлени  частиц или их материала (амплитуда сигналов ослаблени  практически не зависит от материала частиц, а регистраци  сигналов рассе ни  одновременно в двух

направлени х усредн ет такую зависимость дл  них).

На фиг.1 приведена схема прибора дл  определени  размеров частиц, на фиг.2 образование в приборе измерительной зоны; на фиг.З - распределение интенсивностей в пересекающихс  сфокусированных световых пучках.

Прибор дл  определени  размеров час0 тиц содержит два лазера 1 и 2, отклон ющие зеркала 3 и 4, светоделители 5 и 6, фотоприемники 7-10, коллиматоры 11 и 12, два интерферометра Маха-Цендера 13 и 14, в предметных плечах которых установлены

5 телескопические системы 15 и 16, имеющие общийузел 17 прокачки исследуемой среды, а в опорных плечах - телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и21, диафрагмы 22-25, зеркала 26-29, пр моугольные

0 отражательные призмы 30 и 31, приемные объективы 32 и 33, регулируемые усилители 34 и 35, фильтры 36 и 37, анализатор 38. Каждый интерферометр включает полупрозрачные зеркала 39-42, а также - зеркала

5 43-46. Телескопические системы 15, 16, 18 и 19 состо т соответственно из объективов 47 и 48, 49 и 50, 51 и 52, 53 и 54.

Лазер 1, отклон ющее зеркало 3, светоделитель 5,коллиматор 11 и интерферометр

0 14 расположены последовательно и оптически св заны. Лазер 2, отклон ющее зеркало 4, светоделитель 6, коллиматор 12 и интерферометр 13 также последовательно расположены и оптически св заны.

5 Интерферометры выполнены по схеме Маха-Цендера и образованы каждый из них соответственно полупрозрачными зеркалами 39, 40 и 41, 42 и зеркалами 43, 44 и 45, 46. В каждом предметном плече интерферо0 метров 13 и 14 расположены телескопические .системы 15 и 16, оптические оси которых взаимно перпендикул рны, а в месте пересечени  этих осей, где расположен общий фокус всех четырех объективов ука5 занных систем, установлен узел 17 прокачки исследуемой среды. В опорных плечах интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсатора 20 и 21 в общих фокальных плоскост х их объекти0 BOB. Выходы интерферометра 13 объединены через две диафрагмы 22, 23, два зеркала 26, 27, пр моугольную отражательную призму 30 и приемный объектив 32 на один фотоприемник 9. Выходы интерферометра 14

5 объединены через две диафрагмы 24, 25, два зеркала 28, 29, пр моугольную отражательную призму 31 и приемный объектив 33 на фотоприемник 10. Фотоприемники 7 и 8 оптически сопр жены соответственно со светоделител ми 5 и 6. К выходам фотоприемников 9 и 10 подключены регулируемые усилители 34 и 35, управл ющие входы которых соединены с выходами фотоприемников 7 и 8. выходы регулируемых усилителей 34 и 35 св заны через фильтры 36 и 37 с анализатором 38. Объективы всех телескопических систем имеют равные фокусные рассто ни  и расположены на двойном фокусном рассто нии друг от друга. Компенсаторы в телескопических системах, размещенных в опорных плечах интерферометров , имеют размеры в сечении, равные размерам узла прокачки исследуемой среды .

В приборе дл  определени  размеров частиц используютс  лазеры типа ЛГ-79-1, е качестве фотоприемников 7 и 8 применены фотодиоды ФД256, а фотоприемников 9 и 10 - фотоумножители ФЭУ -.69. Коллиматоры увеличивают сечение потока в четыре раза. Фокусные рассто ни  объективов телескопических систем равны 16 мм, а приемных объективов - 30 мм, Регулируемые усилители построены по схеме с управлением коэффициентом передачи напр жением, обратно пропорциональным мощности лазерного излучени , а фильтры - по схеме полосовых усилителей. Анализатор выполнен в виде двухканального преобразовател  амплитуда-код, блока буферных регистров, интерфейса и ППЭВМ типа ЕС 1841.

Прибор дл  определени  размеров частиц работает следующим образом.

Излучение от лазеров 1 и 2 направл етс  отклон ющими зеркалами 3 и 4 на светоделители .5 и 6. Прошедшие светоделители 5 и 6 световые пучки попадают в коллиматоры 11 и 12, которые расшир ют их. Отклоненные светоделител ми пучки, интенсивность которых значительно меньше .прошедших пучков (единицы процентов ), регистрируютс  фотоприемниками 7 и 8. Эти фотоприемники служат дл  регистрации изменений мощности лазеров. Электрические сигналы с них подаютс  на управл ющие входы регулируемых усилителей 34 и 35.

Расширенные коллиматорами световые потоки направл ютс  в два интерферометра 13 и 14 типа Маха-Цендера. В каждом интерферометре излучение делитс  полупрозрачными зеркалами 39 и 41 на два равных по интенсивности потока, одни из которых зеркалами 43 и 45 направл ютс  в предметные плечи соответствующих интерферометров , где помещены телескопические системы 15 и 16. Объектив 47 телескопической системы 15 и объектив 49 телескопической системы 16 фокусируют

световые потоки в узел 17 прокачки исследуемой среды, через который она прокачиваетс  с посто нной скоростью.

Оси сфокусированных лучей в узле прокачки пересекаютс  под пр мым углом и пучки образуют освещенную зону, вид которой показан на фиг.2. В освещенной зоне есть общий объем дл  обоих пересекающихс  потоков, используемый в качестве изме0 рительной зоны, при прохождении которой частицы регистрируютс . В св зи с тем, что длина перет жки сфокусированных потоков значительно превышает ее диаметр, формируетс  измерительна  зона, сечение кото5 рой имеет форму, близкую к квадрату с почти четкими границами. Интенсивность вдоль любой оптической оси распределена значительно более равномерно, чем поперек ее (фиг.З). Так как оптические оси фоку0 сирующих объективов перпендикул рны, в измерительной зоне в каждом направлении есть два распределени  интенсивностей пересекающихс  пучков и выбор наибольшего из любых двух сигналов, полученных при

5 взаимодействии обоих потоков с частицей, позвол ет получать наиболее достоверные сигналы. При этом происходит выбор потока , имеющего по траектории движени  час- тицы наибольшую интенсивность, и

0 получение измерительной зоны с наиболее равномерной освещенностью. Потоки в измерительной зоне не интерферируют, так как они не когерентны вследствие использовани  двух лазеров в приборе.

5 Излучение, прошедшее узел прокачки, собираетс  объективом 48 телескопической системы 15 и объективом 50 телескопической системы 16. выход щие из телескопических систем световые пучки параллельны

0 и имеют сечени , равные сечени м входных пучков, но пространственно обернутые. Вторые пучки, полученные после делени  полупрозрачными зеркалами 39 и 41, используютс  как опорные. В опорных плечах

5 интерферометров помещены телескопические системы 18 и 19 с компенсаторами 20 и 21. Назначение этих телескопических систем состоит в получении опорных потоков, пространственно обернутых таким обра0 зом, как и предметные потоки. Компенсаторы позвол ют выравн ть оптические пути предметных и опорных потоков, а также исключить регистрацию частиц, которые могли бы попасть из окружающей среды в

5 сфокусированное излучение объективами 51 и 53 телескопических систем 18 и 19. Предметные и опорные пучки в каждом интерферометре совмещаютс  при помощи зеркал 44, 46 и полупрозрачных зеркал 40. 42. Интерферометры юстируютс  таким образом , что на их выходах получают наиболее широкие интерференционные полосы. Щели диафрагм 22-25 расположены напротив темных интерференционных полос, где интенсивность близка к нулю.

При попадании частицы, наход щейс  в прокачиваемой исследуемой среде, в измерительную зону, образованную пересечением перет жек сфокусированных потоков, уменьшаетс  интенсивность предметных пучков интерферометров, т.е. они ослабл ютс . Это приводит к нарушению равенства интерферирующих потоков и, как следствие , к по влению засветки на темных интерференционных полосах. Формирующиес  при этом за щел ми диафрагм 22-25 световые сигналы есть не что иное, как инвертированные сигналы ослаблени . Они имеют положительную пол рность относительно нулевого уровн . На эти сигналы накладываютс  (или суммируютс ) сигналы рассе ни , имеющие такую же пол рность. Суммируютс  с сигналами ослаблени  два вида сигналов рассе ни : рассе ние вперед и рассе ние под углом 90°. Сигналы рассе ни  вперед распростран ютс  совместно с прошедшим узел прокачки излучением и образуютс  от взаимодействи  с частицей потока в интерферометре, на выходе которого получают эти сигналы. Сигналы рассе ни  под углом 90° образуютс  от взаимодействи  с частицей излучени  из другого интерферометра по отношению к тому, на выходе которого они регистрируютс . Таким образом , за каждой диафрагмой формируютс  суммарные световые сигналы. Амплитуда этих сигналов наименее подвержена флук- туаци м из-за различи  материала частиц, так как методу ослаблени  присуща сравнительно слаба  зависимость сигнала от материала частиц в широком интервале показателей преломлени , а суммируемые сигналы рассе ни  регистрируютс  в двух перпендикул рных направлени х, что позвол ет проводить их усреднение.

Сигналы с двух выходов каждого интерферометра суммируютс  на фотоприемниках 9 и 10 при помощи зеркал 25-29, пр моугольных отражательных призм 30, 31 и приемных объективов 32, 33. Суммарные сигналы имеют в два раза большую амплитуду. Они посредством фотоприемников преобразовываютс  в электрические. Электрические сигналы формируютс  при попадании частиц в освещенную зону крестообразного вида. При этом по вление сигналов одновременно с обоих фотоприемников свидетельствует о прохождении частицей измерительной зоны, представл ющей общий участок двух пересекающихс  потоков освещенной зоны

(фиг.2), Если частица попадает в один из потоков освещенной зоны, сигнал формируетс  на выходе только одного из фотоприемников . Одновременное формирование

сигналов с двух фотоприемников не означает равенство их амплитуд. Амплитуды сигна- лов равны при попадании частицы одновременно в два сфокусированных потока , причем в участки с одинаковой интенсив0 ностью. Если частица попадает одновременно в два потока, но в участки с разной интенсивностью, формируютс  одновременно два сигнала с разной амплитудой . Задава  допуск на различие амплитуд

5 двух сигналов, можно фиксировать границы измерительной зоны, а мен   его, регулировать размеры этой зоны. В качестве анализируемого сигнала при этом выбираетс  сигнал с большей амплитудой, так как он

0 наиболее полно отражает размер частицы по причине получени  его от участка светового потока с большей интенсивностью.

Электрические сигналы с фотоприемников 9 и 10 подаютс  на регулируемые усили5 тели 34 и 35. Коэффициент усилени  этих усилителей мен етс  в зависимости от величины напр жений, подаваемых на их управл ющие входы с выходов фотоприемников 7 и 8. При помощи усилителей осуществл ет0 с  подстройка амплитуд сигналов при изменени х мощности лазеров и тем самым i исключаютс  св занные с этим погрешности . С выходами усилителей св заны фильтры 36 и 37, которые за счет фильтрации

5 сигналов дают возможность повысить отно; шение сигнал/шум. Сигналы с выходов фильтров поступают в анализатор 38. В анализаторе сигналы оцифровываютс  и их коды через буферные регистры пам ти и

0 интерфейс передаютс  в персональную ЭВМ .(анализатор выполнен на базе анало- го-цифрового преобразовател , буферных регистров пам ти, интерфейса и персональной ЭВМ). В ЭВМ коды обоих сигналов срав5 ниваютс  в пределах заданного допуска и если различие допустимо, выбираетс  наибольший из кодов, который и подлежит дальнейшему анализу. Далее определ етс  соответствие кода линейному размеру час0 тицы в микрометрах и отнесение его к соответствующему диапазону искомого распределени  размеров частиц. При прохождении новой частицей измерительной зоны операции с сигналами в анализаторе

5 повтор ютс . Анализатор работает в течение интервала времени, задаваемого при помощи внутреннего таймера ЭВМ, что позвол ет определ ть концентрацию частиц в определенном объеме исследуемой среды, прокачиваемой через узел прокачки с посто нной скоростью. Анализатор не обрабатывает сигналы, различие амплитуд которых превышает заданный допуск. Величина допуска задаетс  программным путем в ЭВМ анализатора и может мен тьс , что позвол ет регулировать размеры измерительной зо- ны. Т.е. измерительна  зона в приборе формируетс  за счет пересечени  перет жек сфокусированных световых потоков и задани  допуска на различие сигналов. Анализатор может быть организован и иным образом без персональной ЭВМ, но выполн емые им операции не измен тс .

Предлагаемый прибор дл  определени  размеров частиц имеет более высокую точность измерений по сравнению с известными . В приборе измерительна  зона образуетс  за счет получени  участка пересечени  перет жек сфокусированных световых пучков, фиксаци  границ этого участка заданием допуска на различие амплитуд сигналов , получаемых на выходах двух интерферометров, и выбора наибольшего из них, что обеспечивает формирование наиболее равномерно освещенной измерительной зоны и существенное уменьшение св занных с этим погрешностей. Так как в интерферометрах совмещаютс  равные по интенсивности и одинаково пространственно обернутые потоки, а щели диафрагм расположены напротив темных интерференционных полос, фотоприемники в отсутствии сигналов не освещены , что обеспечивает снижение уровн  дробовых шумов и шумов лазеров, величина которых зависит от величины падающего на фотоприемник потока. Каждый фотоприемник регистрирует сигналы с двух выходов интерферометров , что дает удвоение амплитуды сигналов. Кроме этого, амплитуда каждого сигнала представл ет собой сумму амплитуд сигналов: инвертированного ослаблени  и двух рассе ни  в перпендикул рных направлени х , что также увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов и уменьшает вли ние на них природы частиц.

Преимуществами прибора дл  определени  размеров частиц  вл ютс  также возможности регулировки размеров измерительной

зоны путем изменени  допуска на различие сигналов с двух интерферометров (это позвол ет уменьшать измерительную зону и определ ть высокие концентрации частиц) и

реализации его конструкции без особых трудностей.

Прибор дл  определени  размеров частиц может найти широкое применение при контроле жидких и газообразных сред.

Claims (1)

1.Й1

/3

,

i,i,

, ;.,,. -

-Щ|ИгЪ

- I : i fi I - X 4 .Jw