RU2018116C1 - Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media - Google Patents

Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media Download PDF

Info

Publication number
RU2018116C1
RU2018116C1 SU5016397A RU2018116C1 RU 2018116 C1 RU2018116 C1 RU 2018116C1 SU 5016397 A SU5016397 A SU 5016397A RU 2018116 C1 RU2018116 C1 RU 2018116C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
medium
radiation
scattering
isotropic
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лев Сергеевич Долин
Иосиф Маркович Левин
Тамара Мордхаевна Радомысльская
Original Assignee
Лев Сергеевич Долин
Иосиф Маркович Левин
Тамара Мордхаевна Радомысльская
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Лев Сергеевич Долин, Иосиф Маркович Левин, Тамара Мордхаевна Радомысльская filed Critical Лев Сергеевич Долин
Priority to SU5016397 priority Critical patent/RU2018116C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2018116C1 publication Critical patent/RU2018116C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: optics; measuring optic characteristics of media. SUBSTANCE: method involves the steps of: directing rediation from a point-type isotropic light source and from directional light source, modulating light fluxes and irradiating them from which a light seattering coefficient is determined. EFFECT: enhanced accuracy. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерениям оптических характеристик жидких сред как на пробах, так и при погружении измерительного устройства непосредственно в исследуемую жидкую среду. The invention relates to measurements of the optical characteristics of liquid media both on samples and upon immersion of the measuring device directly in the studied liquid medium.

Изобретение может найти применение для измерений оптических характеристик в природных водоемах, для измерения мутности водопроводной воды, сточных вод, бензина, керосина, других видов топлива, пива, суспензий и эмульсий и других жидких сред, в химической, пищевой, фармацевтической, металлургической и других отраслях промышленности. The invention may find application for measuring optical characteristics in natural water bodies, for measuring turbidity of tap water, wastewater, gasoline, kerosene, other fuels, beer, suspensions and emulsions and other liquid media, in the chemical, food, pharmaceutical, metallurgical and other industries industry.

Известны способы измерения показателя рассеяния ( σ ) путем измерения показателя рассеяния σ(θ) в фиксированном направлении θ , и последующего нахождения σ либо с помощью корреляционных зависимостей, либо путем численного интегрирования функции σ(θ) в диапазоне углов θ 0,2-170о. Эти способы имеют низкую точность и требуют сложных устройств для их реализации.Known methods for measuring the scattering index (σ) by measuring the scattering index σ (θ) in a fixed direction θ, and then finding σ either using correlation dependencies or by numerically integrating the function σ (θ) in the range of angles θ 0.2-170 о . These methods have low accuracy and require complex devices for their implementation.

Задачей предполагаемого технического решения является увеличение точности определения показателя рассеяния в жидких средах при одновременном упрощении устройства. The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of determining the scattering index in liquid media while simplifying the device.

Техническая задача решается в способе определения показателя рассеяния в жидких средах, включающем направление излучения изотропного источника в жидкую среду, измерение характеристик рассеянного светового поля и последующий расчет показателя рассеяния благодаря тому, что дополнительно направляют в жидкую среду излучение направленного источника, причем световые потоки источников изотропного и направленного излучения изменяют во времени (модулируют) по различным законам, измеряют световые потоки от обоих источников, прошедшие исследуемую среду, с помощью одного фотоприемника, и показатель рассеяния среды рассчитывают по формуле
σ =

Figure 00000001
ln (Fn/Fн),, где R - расстояние в жидкой среде, которое проходит излучение от источников;
Fн - световой поток от изотропного источника, прошедший исследуемую среду;
Fн - световой поток от направленного источника, прошедший исследуемую среду.The technical problem is solved in a method for determining the scattering index in liquid media, including the direction of radiation of an isotropic source into a liquid medium, measuring the characteristics of the scattered light field and the subsequent calculation of the scattering index due to the fact that the radiation of a directed source is additionally directed into the liquid medium, and the light fluxes of isotropic and directional radiation change in time (modulate) according to various laws, measure the light flux from both sources, past the blown medium using a single photodetector, and the scattering index of the medium is calculated by
σ =
Figure 00000001
ln (F n / F n ), where R is the distance in the liquid medium, which passes radiation from sources;
F n - the light flux from an isotropic source that has passed the medium under study;
F n - the light flux from a directional source that has passed the medium under study.

Устройство для определения показателя рассеяния в жидкой среде, состоящее из источника питающего напряжения, герметичного корпуса с защитными стеклами, внутри которого установлены на одной оптической оси изотропный источник света, защитные стекла и фотоприемник, соединенный с блоком усиления, вычисления и регистрации, снабжено дополнительно направленным источником света, установленным на оптической оси перед изотропным источником, блоком модуляции напряжений, питающих источники света, и блоком обработки сигналов фотоприемника. A device for determining the scattering index in a liquid medium, consisting of a power supply source, a sealed enclosure with protective glasses, inside which an isotropic light source, protective glasses and a photodetector connected to an amplification, calculation and recording unit are mounted on one optical axis, is equipped with an additional directional source light mounted on the optical axis in front of an isotropic source, a voltage modulation unit supplying the light sources, and a photodetector signal processing unit.

Сущность изобретения заключается в возможности более точно определить показатель рассеяния, направляя в исследуемую среду излучение источников - изотропного и направленного излучения. Благодаря различному модулированию излучения обоих источников, изменение световых потоков, прошедших исследуемую среду, может быть измерено с помощью одного фотоприемника, снабженного соответствующим блоком обработки, разделяющим сигналы, пропорциональные двум измеряемым потокам излучения. Благодаря заявленным признакам способа и устройства нет необходимости совмещать изображение источника с точечной диафрагмой, как в прототипе, в предлагаемом изобретении изображение направленного источника света формируется непосредственно за защитным стеклом на фотоприемнике. The essence of the invention lies in the possibility of more accurately determining the scattering index, directing into the medium under study radiation from sources of isotropic and directed radiation. Due to the different modulation of the radiation of both sources, the change in the light flux passing through the medium under study can be measured using a single photodetector equipped with an appropriate processing unit that separates signals proportional to the two measured radiation fluxes. Due to the claimed features of the method and device, there is no need to combine the source image with the pinhole, as in the prototype, in the present invention, the image of the directional light source is formed directly behind the protective glass on the photodetector.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет избавиться от погрешности, связанной с разным изменением чувствительности двух фотоприемников с течением времени в процессе эксплуатации, и упрощает устройство, позволяет легко и просто проводить его юстировку в эталонной среде. Thus, the proposed technical solution allows you to get rid of the error associated with different changes in the sensitivity of the two photodetectors over time during operation, and simplifies the device, makes it easy and simple to carry out its adjustment in the reference environment.

Для этого достаточно совместить изображение направленного источника, непосредственно наблюдаемое на защитном стекле, с чувствительной площадкой фотоприемника, в то время как в прототипе юстировка требует помещения в плоскость диафрагмы дополнительного элемента (например, матового стекла) для визуализации изображения источника, удаления стоящего за диафрагмой фотоприемника и достаточно сложной процедуры совмещения малого изображения источника с точечной диафрагмой с помощью чувствительных регулировочных элементов. To do this, it is enough to combine the image of the directional source directly observed on the protective glass with the sensitive area of the photodetector, while in the prototype the adjustment requires placing an additional element (for example, frosted glass) in the plane of the diaphragm to visualize the image of the source, removing the photodetector located behind the diaphragm and a rather complicated procedure for combining a small image of a source with a pinhole using sensitive adjusting elements.

Таким образом, заявляемые отличительные признаки способа и устройства для его реализации являются существенными для решения поставленной задачи. Thus, the claimed distinctive features of the method and device for its implementation are essential for solving the task.

На фиг.1 приведена схема устройства для определения показателя рассеяния жидкой среды; на фиг.2 приведены кривые напряжений, вырабатываемых блоком модуляции для питания изотропного и направленного источников света (2, а), кривые зависимости от времени потоков, воспринимаемых фотоприемником от изотропного и направленного источников, и соответствующих им сигналов, формируемых в блоке обработки (2,б). Figure 1 shows a diagram of a device for determining the dispersion index of a liquid medium; figure 2 shows the voltage curves generated by the modulation unit for supplying isotropic and directional light sources (2, a), the curves of the time dependence of the flows perceived by the photodetector from isotropic and directional sources, and the corresponding signals generated in the processing unit (2, b)

Помещенное в жидкую среду 1 устройство имеет защитные стекла 2 и 3, изотропный источник 4 непосредственно перед защитным стеклом 2, направленный источник 5 (который может быть либо лазерным, либо состоящим из точечного излучателя 6 и осветительной линзы 7, проектирующей изображение излучателя 6 на фотокатод фотоприемника 8), фотоприемник 8, находящийся непосредственно за защитным стеклом 3. Источники света питаются от общего источника питания через блок модуляции 9, осуществляющий изменение во времени световых потоков источников света по заданным законам. Фотоприемник 8 имеет выход на блок обработки сигнала 10, а сигнал с блока 10 поступает на блок усиления, вычисления и регистрации 11. The device placed in a liquid medium 1 has protective glasses 2 and 3, an isotropic source 4 immediately in front of the protective glass 2, a directional source 5 (which can be either a laser, or consisting of a point emitter 6 and a lighting lens 7 projecting an image of the emitter 6 onto the photocathode of the photodetector 8), a photodetector 8, located directly behind the protective glass 3. The light sources are fed from a common power source through a modulation unit 9, which changes the luminous fluxes of the light sources in time nym laws. The photodetector 8 has an output to the signal processing unit 10, and the signal from the unit 10 enters the amplification, calculation and registration unit 11.

Способ реализуется с помощью устройства следующим образом. Напряжения Uн(t) и Uи(t), питающие направленный и изотропный источники света, вырабатываются одним и тем же источником питания с блоком модуляции 9. Это обеспечивает постоянство отношения Fн/Fи потоков, исходящих от обоих источников, во времени. Эти потоки, проходя рассеивающую среду, поступают на фотоприемник 8 и создают на его выходе сигнал S(t) = Sн(t) + Sи(t), равный сумме сигналов, каждый из которых пропорционален соответственно потокам Fн(t) и Fи(t). Сигнал S(t) поступает на блок обработки 10, который осуществляет фильтрацию сигналов Sн(t) и Sи(t) и формирует напряжения Vн и Vи, пропорциональные средним по времени величинам потоков Fн(t) и Fи(t):
Vн~ Fн, Vn~ Fn, ,
Fн=

Figure 00000002
Fн(t)dt, Fn=
Figure 00000003
Fn(t)dt,, где Тн и Ти - периоды изменения потоков Fн(t) и Fи(t).The method is implemented using the device as follows. The voltages U n (t) and U and (t) supplying directional and isotropic light sources are generated by the same power source with modulation unit 9. This ensures that the ratio F n / F and the fluxes coming from both sources are constant over time . These flows passing through the scattering medium arrive at the photodetector 8 and create at its output a signal S (t) = S n (t) + S and (t) equal to the sum of the signals, each of which is proportional to the fluxes F n (t) and F and (t). The signal S (t) enters the processing unit 10, which filters the signals S n (t) and S and (t) and generates voltages V n and V and proportional to the time-average values of the flows F n (t) and F and ( t):
V n ~ F n , V n ~ F n,,
F n =
Figure 00000002
F n (t) dt, F n =
Figure 00000003
F n (t) dt ,, where T n and T and are the periods of variation of the flows F n (t) and F and (t).

Возможность фильтрации в блоке обработки 10 сигналов Sн(t) и Sи(t) обеспечивается соответствующим выбором законов изменения во времени напряжений Uн(t) и Uи(t). Например, Uн(t) и Uи(t) могут быть синусоидальными сигналами с различными частотами ωниωи (фиг.2,а). Тогда величины Vн и Vи могут быть определены путем выделения гармонических составляющих сигнала S(t) с частотами 2ωни2ωи и измерения их амплитуд, которые линейно связаны со средними значениями потоков Fн и Fи(фиг.2,б), т.е.The possibility of filtering in the processing unit 10 of the signals S n (t) and S and (t) is provided by an appropriate choice of the laws of change in time of the voltages U n (t) and U and (t). For example, U n (t) and U and (t) can be sinusoidal signals with different frequencies ω n and ω and (Fig. 2, a). Then the values of V n and V and can be determined by highlighting the harmonic components of the signal S (t) with frequencies 2ω n and 2ω and measuring their amplitudes, which are linearly related to the average values of the flows F n and F and (Fig.2, b), those.

Vн/Vи = Fн/Fи.V n / V and = F n / F and .

Возможны и другие способы выделения сигналов Vн и Vи.There are other possible ways of isolating signals V n and V and .

Из блока обработки эти сигналы поступают в блок 11 усиления, вычисления и регистрации, где вырабатывается отношение сигналов Vн и Vи: Vн/Vи = Fн/Fи, а также рассчитывается и регистрируется на "выходе" устройства (например, на дисплее) величина σ =

Figure 00000004
ln (Vn/Vн), равна показателю рассеяния исследуемой среды.From the processing unit, these signals are sent to the amplification, calculation and registration unit 11, where the ratio of the signals V n and V and : V n / V and = F n / F and is generated, as well as calculated and recorded at the "output" of the device (for example, on the display) σ =
Figure 00000004
ln (V n / V n ) is equal to the dispersion index of the medium under study.

Устройство предварительно регулируется в эталонной среде (воздухе или дистиллированной воде, в которых показатели поглощения κ и рассеяния σ равны нулю). Регулировка состоит в том, что с помощью изменения напряжений питания Uн(t) и Uи(t) в блоке модуляции 9 добиваются равенства сигналов Vн и Vи в блоке обработки, а следовательно, и потоков Fн и Fи в эталонной среде. Поскольку
Fн=Cнexp[-(κ+σ)R],
Fи=Cиexp[-κR], равенство Fн = Fи при κ = 0 и σ = 0 означает, что Сн = Си = С.
The device is pre-regulated in a reference medium (air or distilled water, in which the absorption coefficients κ and scattering σ are equal to zero). Adjustment is that by changing the supply voltage U n (t) and U and a (t) at the modulation unit 9, achieve signal equality V H and V and in the processing unit, and consequently the flow F n and F and reference environment. Because the
F n = C n exp [- (κ + σ) R],
F and = C and exp [-κR], the equality F n = F and for κ = 0 and σ = 0 means that C n = C and = C.

При установке отрегулированного устройства в исследуемую жидкую среду с показателями поглощения и рассеяния κиσ , вырабатываемое в блоке 11 отношение сигналов Vи/Vн будет равно
Vи/Vн=Fи/Fн=Cexp[-κR]/
/Cexp[-(κ+σ)R] =eσR, а

Figure 00000005
ln (Vн/Vn) будет, очевидно, равенσ . На выходе блока 11 демонстрируется либо величина показателя рассеяния исследуемой среды σ, либо при соответствующей градуировке устройства пропорциональная σвеличина концентрации взвешенных частиц в жидкой среде.When installing the adjusted device in the studied liquid medium with absorption and scattering κ and σ, the ratio of signals V and / V n generated in block 11 will be equal to
V and / V n = F and / F n = Cexp [-κR] /
/ Cexp [- (κ + σ) R] = e σR , and
Figure 00000005
ln (V n / V n ) will obviously be equal to σ. At the output of block 11, either the value of the scattering index σ of the test medium is demonstrated, or with an appropriate graduation of the device, proportional to σ is the concentration of suspended particles in a liquid medium.

Заявленное устройство может быть реализовано на известной элементной базе, например, с использованием светодиодов АЛ-336К или ФД-226. The claimed device can be implemented on a known element base, for example, using LEDs AL-336K or FD-226.

Важным преимуществом предлагаемого способа и устройства перед прототипом является использование одного фотоприемника, что в принятом способе измерений существенно повышает точность измерений за счет исключения погрешности, связанной с уходом чувствительности разных фотоприемников со временем (из-за температурных и других воздействий). Кроме того, упрощается устройство, так как при его юстировке нет необходимости в сложном процессе совмещения изображения источника с точечной диафрагмой. В предлагаемом устройстве световое пятно фокусируется непосредственно на фотодетекторе, находящемся сразу же за защитным стеклом, т.е. световое пятно непосредственно наблюдается на защитном стекле 3. An important advantage of the proposed method and device over the prototype is the use of a single photodetector, which in the adopted measurement method significantly increases the accuracy of measurements by eliminating the error associated with the departure of the sensitivity of different photodetectors over time (due to temperature and other influences). In addition, the device is simplified, since when aligning it there is no need for a complex process of combining the source image with a point aperture. In the proposed device, the light spot is focused directly on the photodetector located immediately behind the protective glass, i.e. a light spot is directly observed on the protective glass 3.

Если необходимо измерить показатель рассеяния или концентрацию взвеси не "in situ", а на пробах кювета с исследуемой средой помещается между защитными стеклами 2 и 3. При этом длина кюветы должна быть равна "базе" прибора R, а ее диаметр D должен быть больше или равен R. If it is necessary to measure the scattering index or suspension concentration not in situ, but on the sample, the cuvette with the test medium is placed between the protective glasses 2 and 3. In this case, the length of the cuvette must be equal to the "base" of the device R, and its diameter D must be greater than or equal to R.

Claims (2)

1. Способ определения показателя рассеяния света в жидких средах, при осуществлении которого направляют в исследуемую среду излучение точечного изотропного источника света, измеряют прошедший через исследуемую среду световой поток и определяют показатель рассеяния, отличающийся тем, что в исследуемую среду дополнительно посылают направленный световой поток, модулируют световые потоки, измеряют прошедший через исследуемую среду дополнительный световой поток, а показатель рассеяния определяют по формуле
σ =
Figure 00000006
ln (Fn/Fн),
где R - расстояние в жидкой среде, которое проходят оба световых потока;
Fп и Fн - измеренные световые потоки от изотропного и дополнительного источников соответственно.
1. The method of determining the indicator of light scattering in liquid media, during the implementation of which direct radiation of a point isotropic light source into the test medium, measure the light flux transmitted through the test medium and determine the scattering index, characterized in that the directed light flux is additionally sent to the test medium, modulate luminous fluxes, measure the additional luminous flux passing through the test medium, and the scattering index is determined by the formula
σ =
Figure 00000006
ln (F n / F n ),
where R is the distance in the liquid medium, which both light fluxes pass;
F p and F n - the measured light flux from isotropic and additional sources, respectively.
2. Устройство для определения показателя рассеяния света в жидких средах, содержащее точечный изотропный источник света, установленные по ходу излучения защитные стекла, фотоприемник, соединенный с блоком усиления, обработки и регистрации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник направленного излучения, установленный на оптической оси между точечным изотропным источником света и первым защитным стеклом устройства для размещения исследуемой среды, и блок модуляции, соединенный с источниками излучения. 2. A device for determining the indicator of light scattering in liquid media, containing a point isotropic light source, protective glasses installed along the radiation, a photodetector connected to an amplification, processing and recording unit, characterized in that a directional radiation source mounted on it is additionally inserted the optical axis between the point isotropic light source and the first protective glass of the device for placing the medium under study, and a modulation unit connected to radiation sources.
SU5016397 1991-12-27 1991-12-27 Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media RU2018116C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5016397 RU2018116C1 (en) 1991-12-27 1991-12-27 Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5016397 RU2018116C1 (en) 1991-12-27 1991-12-27 Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2018116C1 true RU2018116C1 (en) 1994-08-15

Family

ID=21591480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5016397 RU2018116C1 (en) 1991-12-27 1991-12-27 Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2018116C1 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Копелевич О.В. и др. О нефелометрическом методе определения общего показателя рассеяния света морской водой. Изв. АН СССР, ФАО, 1974, т.7, с.1280-1289. *
Оптика океана /Под ред. А.Монина, Физическая оптика океана, М.: Наука, 1983, с.121-130. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4420256A (en) Dust measurement
US3830569A (en) Process and apparatus for counting biological particles
US2436262A (en) Apparatus for measuring turbidity photoelectrically
US4426154A (en) Liquid flow photometer
KR950014849A (en) Photometric detectors scattered by thin films of colloidal media
RU2018116C1 (en) Method and device for determining light scattering (diffusion) coefficient in liquid media
JPH11108838A (en) Method and device for measuring turbidity
JPS6370148A (en) Apparatus for measuring size distribution of fine particle
JPS63201554A (en) Particle analyzing device
RU46099U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING DIMENSIONS AND CONCENTRATION OF PARTICLES OF COLLOID-DISPERSED SYSTEMS
JPH01277740A (en) Submerged turbidity meter
JPS6132628B2 (en)
SU890170A1 (en) Device for determination of suspension concentration in colored media
JPH0614008B2 (en) Particle analyzer
SU1455283A1 (en) Method and apparatus for granulometric analysis of disperse media
Flaschka et al. Design and construction of a spectrophotometer accommodating long-path microcells
SU708207A1 (en) Device for measuring demensions of particles
SU1386475A1 (en) Device for measuring temperature of work surface in welding
SU1088469A1 (en) Device for measuring scattering indicatrices
JPH05288752A (en) Subject measuring apparatus
SU807177A1 (en) Device for determining the content of fat and protein in milk and dairy products
SU914942A1 (en) Dispersed light photometer
JPS63300940A (en) Particle analyzing device
SU673891A1 (en) Device for determining the quantity and size of colloid-dispersion system particles
SU1679284A1 (en) Apparatus for determination of sizes of particles in running media