RU2652654C1 - Method of determination of distribution of weighed particles by mass - Google Patents

Method of determination of distribution of weighed particles by mass Download PDF

Info

Publication number
RU2652654C1
RU2652654C1 RU2017120778A RU2017120778A RU2652654C1 RU 2652654 C1 RU2652654 C1 RU 2652654C1 RU 2017120778 A RU2017120778 A RU 2017120778A RU 2017120778 A RU2017120778 A RU 2017120778A RU 2652654 C1 RU2652654 C1 RU 2652654C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
mass
distribution
frequency
laser
Prior art date
Application number
RU2017120778A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталья Владимировна Кочковая
Юрий Георгиевич Асцатуров
Юрий Борисович Ханжонков
Владимир Владимирович Семенов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ)
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ)
Priority to RU2017120778A priority Critical patent/RU2652654C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2652654C1 publication Critical patent/RU2652654C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement techniques, in particular to optical methods of monitoring, and can be used in the electronic and chemical industries, in medicine, biology, ecology, powder metallurgy and other fields of science and technology related to the determination of parameters of suspended particles. Method of determination of the distribution of suspended particles by mass is based on irradiation of the object under study with laser and acoustic radiation and recording the light flux scattered by the particles. At the same time, with constant parameters of the laser radiator, the frequency of acoustic oscillations changes, with individual particles beginning to enter resonance and changing the frequency of the scattered light flux due to the Doppler effect, the refracted image of which, in the form of bands formed by a triangular prism, enters through the lens into a CCD array and is then fed to the microprocessor control and processing device to determine the particle distribution by mass.
EFFECT: increased accuracy of the data in determining the distribution of suspended particles by mass.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерений, в частности, к оптическим методам контроля и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных частиц.The invention relates to measurement techniques, in particular, to optical control methods and can be used in the electronic and chemical industries, in medicine, biology, ecology, powder metallurgy and other fields of science and technology related to the determination of parameters of suspended particles.

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.С. SU507807, МПК G01N15/02, опубл. 08.01.1974 г.), основанный на облучении исследуемого объекта электромагнитным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами электромагнитного излучения, в котором с целью повышения точности анализа, облучение осуществляют одновременно обоими видами излучений, регистрируют изменение частоты: моночастотного электромагнитного излучения, а размер частиц находят по формуле:

Figure 00000001
, где η- коэффициент вязкости среды; V0 - амплитуда скорости частиц под действием акустических колебаний; Δf - максимальное изменение частот отраженного моночастотного электромагнитного излучения; λ - длина волны моночастотного электромагнитного излучения; ρ - плотность частицы; F - частота акустических колебаний. Недостатком способа является сложность реализации, а так же отсутствие возможности определения распределения частиц по массе. A known method for the analysis of suspended particles (A.S. SU507807, IPC G01N15 / 02, published 08.01.1974), based on the irradiation of the test object with electromagnetic and acoustic radiation and registration of electromagnetic radiation scattered by particles, in which, in order to improve the accuracy of analysis, irradiation is carried out simultaneously by both types of radiation, a change in frequency is recorded: monofrequency electromagnetic radiation, and the particle size is found by the formula:
Figure 00000001
where η is the viscosity coefficient of the medium; V 0 - the amplitude of the particle velocity under the influence of acoustic vibrations; Δf is the maximum frequency change of the reflected mono-frequency electromagnetic radiation; λ is the wavelength of monofrequency electromagnetic radiation; ρ is the particle density; F is the frequency of acoustic vibrations. The disadvantage of this method is the difficulty of implementation, as well as the lack of the ability to determine the distribution of particles by mass.

Известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц (А.С. SU № 1520399, МПК G01N 15/02, опубл. 07.11.1989 г.), заключающийся в том, что в потоке частиц, освещенном неподвижным пучком света, возбуждают акустическое колебание в направлении, перпендикулярном направлению потока и оси пучка, и регистрируют "пачки" импульсов рассеянного частицами света, возникающие при пересечении пучка света колеблющимися частицами, по амплитудам которых судят о размерах частиц, а по средней частоте повторений
"пачек" - о концентрации частиц. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения распределения в среде частиц по массе. A known photoelectric method for measuring the size and concentration of suspended particles (AS SU No. 1520399, IPC G01N 15/02, published 07.11.1989), which consists in the fact that in the stream of particles illuminated by a fixed beam of light, acoustic vibration is excited in the direction perpendicular to the direction of the flow and the axis of the beam, and "packets" of pulses scattered by the particles of light are recorded, which arise when the light beam intersects with oscillating particles, the amplitudes of which judge the size of the particles, and the average repetition rate
"packs" - about the concentration of particles. The disadvantage of this method is the inability to determine the distribution in the medium of particles by mass.

Известен способ определения параметров дисперсных частиц (А.С. SU № 1508742, МПК G01N 15/02, опубл. 07.07.1992 г.), заключающийся в том, что объем с дисперсными частицами зондируют пучком маломощного лазерного излучения. Излучение, отраженное частицами назад, оптически смешивают с зондирующим измерением, регистрируют частотный спектр биений, из которого находят распределение частиц по скоростям, затем одновременно с зондирующим лазерным излучением счетный объем подвергают воздействию мощного лазерного импульса на длине волны, отличной от длин волны зондирующего лазера. По изменению частотного спектра биений отраженного зондирующего лазерного излучения определяют распределение частиц по размерам. К недостаткам можно отнести: использование мощной, дорогостоящей лазерной установки, сложность реализации и сложность обработки результатов измерений при большом количестве частиц в среде.A known method for determining the parameters of dispersed particles (AS SU No. 1508742, IPC G01N 15/02, publ. 07/07/1992), which consists in the fact that the volume with dispersed particles is probed by a beam of low-power laser radiation. The radiation reflected back by the particles is optically mixed with a sounding measurement, the beat frequency spectrum is recorded, from which the particle velocity distribution is found, then simultaneously with the sounding laser radiation, the counted volume is exposed to a powerful laser pulse at a wavelength different from the wavelengths of the sounding laser. By changing the frequency spectrum of the beats of the reflected probe laser radiation, the particle size distribution is determined. The disadvantages include: the use of a powerful, expensive laser unit, the complexity of implementation and the complexity of processing the measurement results with a large number of particles in the medium.

Известен способ измерения скорости и перемещения исследуемой среды (Пат. RU № 2150707, МПК G01P5/26, опубл. 15.03.1999 г.), заключающийся в том, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды. Недостатком отсутствия возможности определения распределения в среде частиц по массе. A known method of measuring the speed and movement of the investigated medium (Pat. RU No. 2150707, IPC G01P5 / 26, published March 15, 1999), which consists in the fact that an acoustic wave is excited in the medium, a light beam is transmitted through the medium, and changes in the characteristics of the light are recorded beam at the exit from the medium, by which they judge the speed and movement of the medium. The lack of the ability to determine the distribution in the medium of particles by mass.

В качестве прототипа выбран способ определения геометрических параметров дисперсных частиц (Пат. RU № 2346261, МПК G01N 15/02, опубл. 10.02.2009 г.), включающий зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного излучения и воздействия импульсов ультразвуковых колебаний и, по регистрируемым динамической составляющей рассеянного и отраженного от дисперсных частиц излучениям, определяют их собственные частоты механических колебаний, из которых находят размер частиц. К недостаткам способа можно отнести сложность реализации и сложность обработки результатов измерений при большом количестве частиц в среде, а так же отсутствие возможности определения распределения частиц по массе. As a prototype, a method was selected for determining the geometric parameters of dispersed particles (Pat. RU No. 2346261, IPC G01N 15/02, publ. 02/10/2009), which includes probing the dispersed medium under study with a beam of low-power laser radiation and the effects of pulses of ultrasonic vibrations and, based on the dynamic component of the scattered and reflected from dispersed particles radiation, determine their natural frequencies of mechanical vibrations, from which the particle size is found. The disadvantages of the method include the complexity of implementation and the complexity of processing the measurement results with a large number of particles in the medium, as well as the lack of the ability to determine the distribution of particles by mass.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении точности данных при измерении распределения взвешенных частиц по массе. The technical result that can be obtained by implementing the present invention is to increase the accuracy of the data when measuring the distribution of suspended particles by mass.

Этот результат достигается тем, что способ определения распределения взвешенных частиц по массе, основанный на облучении исследуемого объекта лазерным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами светового потока, в котором для повышения точности определения распределения частиц по массе при неизменных параметрах лазерного излучателя изменяется частота акустических колебаний, при этом отдельные частицы начинают входить в резонанс и происходит изменение частоты рассеянного светового потока за счет доплеровского эффекта, преломленное изображение которого в виде полос, образуемых треугольной призмой, поступает в через объектив ПЗС-матрицу и далее подается в микропроцессорное устройство управления и обработки для определения распределения частиц по массе.This result is achieved by the fact that a method for determining the distribution of suspended particles by mass, based on the irradiation of the test object with laser and acoustic radiation and registration of the light flux scattered by particles, in which the frequency of acoustic vibrations changes to increase the accuracy of determining the distribution of particles by mass with constant parameters of the laser emitter, in this case, individual particles begin to enter the resonance and the frequency of the scattered light flux changes due to the Doppler effect, the refracted image of which in the form of strips formed by a triangular prism, enters the CCD matrix through the lens and then is supplied to the microprocessor control and processing device to determine the distribution of particles by mass.

На фиг.1 представлена схема устройства по предлагаемому способу.Figure 1 presents a diagram of a device according to the proposed method.

Устройство включает следующее: 1- генератор, 2- пьезоизлучатель, 3- поглотитель оптического излучения, 4- акустическое колебание (волна), 5- оптический рассеиватель, 6- смотровое окно, 7 – щель, 8- объектив коллиматора, 9 – двояковогнутая линза, 10- лазерный излучатель, 11 – треугольная призма, 12- объектив, 13- ПЗС- матрица, 14- микропроцессорное устройство управления и обработки. The device includes the following: 1 - generator, 2 - piezo emitter, 3 - optical radiation absorber, 4 - acoustic vibration (wave), 5 - optical diffuser, 6 - viewing window, 7 - slit, 8 - collimator lens, 9 - biconcave lens, 10- laser emitter, 11- triangular prism, 12- objective, 13- CCD-matrix, 14- microprocessor control and processing device.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Воздушный поток, содержащий частицы, пропускают через измерительный объем устройства (на фиг. не обозначен). Этот объем подвергают акустическим колебаниям с помощью пьезоизлучателя 2. Частицы, находящиеся в измерительном объёме совершают колебательные движения, которые описываются следующим уравнением:An air stream containing particles is passed through the measuring volume of the device (not indicated in FIG.). This volume is subjected to acoustic vibrations using a piezo emitter 2. Particles in the measuring volume make oscillatory movements, which are described by the following equation:

x=x0·cos ωt;x = x 0 cos ωt;

где: x0 – амплитуда колебаний частицы;where: x 0 is the amplitude of the particle;

ω – круговая частота колебаний частицы:ω - circular frequency of particle oscillations:

t – время.t is time.

При этом амплитуда колебаний частицы равна:In this case, the amplitude of particle oscillations is equal to:

Figure 00000002
;
Figure 00000002
 ;

где: F0 – амплитуда колебаний силы, действующей на частицу;where: F 0 - the amplitude of the oscillations of the force acting on the particle;

m – масса частицы:m - particle mass:

ω0 – резонансная частота колебаний частицы;ω 0 is the resonant frequency of the particle;

ω – фактическая частота колебаний частицы;ω is the actual oscillation frequency of the particle;

γ – коэффициент, учитывающий свойства среды, в которой движется частица.γ - coefficient taking into account the properties of the medium in which the particle moves.

Скорость движения частицы равна:The particle velocity is:

Figure 00000003
Figure 00000004
.
Figure 00000003
Figure 00000004
 .

Из данного выражения следует, что скорость частицы зависит от силы, действующей на частицу, массы частицы, частоты колебаний частицы, а также свойств среды, в которой движется частица. Частица достигает максимальной скорости, когда частота колебаний среды совпадает с резонансной частотой колебаний частицы.From this expression it follows that the speed of a particle depends on the force acting on the particle, the mass of the particle, the vibration frequency of the particle, as well as the properties of the medium in which the particle moves. A particle reaches its maximum speed when the frequency of oscillations of the medium coincides with the resonant frequency of oscillations of the particle.

Акустические колебания 4 в измерительном объеме создает пьезоизлучатель 2 и генератор 1, частоту которого задает микропроцессорное устройство управления и обработки 14. При монотонном увеличении частоты колебаний среды отдельные частицы входят в резонанс, когда частота свободных колебаний частиц совпадает с частотой колебаний среды. Частота свободных колебаний частицы зависит от массы этой частицы:Acoustic vibrations 4 in the measuring volume are created by a piezo-emitter 2 and a generator 1, the frequency of which is determined by a microprocessor control and processing device 14. With a monotonic increase in the frequency of oscillations of the medium, individual particles enter the resonance when the frequency of free oscillations of the particles coincides with the frequency of oscillations of the medium. The frequency of free vibrations of a particle depends on the mass of this particle:

Figure 00000005
.
Figure 00000005
 .

Следовательно, если увеличивать частоту колебаний среды, то частицы с различной массой начнут последовательно входить в резонанс. Скорость движения этих частиц будет значительно выше скорости движения других частиц, находящихся в измерительном объёме.Therefore, if you increase the frequency of oscillations of the medium, then particles with different masses will begin to consistently enter the resonance. The speed of these particles will be significantly higher than the speed of other particles in the measuring volume.

Измерение скорости движения частиц осуществляется доплеровским методом. Для этого измерительный объем равномерно освещается монохроматическим светом с помощью лазерного излучателя 10, двояковогнутой линзы 9, оптического рассеивателя 5. Чтобы свет отражался только от частиц, находящихся в измерительном объёме, стенки этого объема обклеены поглотителем оптического излучения 3. Рассеиваемый частицами свет через смотровое стекло 6, щель 7, объектив коллиматора 8, треугольную призму 11 и объектив 12 поступает в виде спектра на ПЗС-матрицу 13.Particle velocity is measured by the Doppler method. To do this, the measuring volume is uniformly illuminated by monochromatic light using a laser emitter 10, a biconcave lens 9, an optical diffuser 5. To reflect light only from particles in the measuring volume, the walls of this volume are glued with an optical radiation absorber 3. Light scattered by particles through a sight glass 6 , slit 7, the collimator lens 8, a triangular prism 11 and the lens 12 is supplied in the form of a spectrum to the CCD matrix 13.

Если частицы в измерительном объеме находятся неподвижно, то спектр отраженного от них света представляет собой одну линию, соответствующую частоте излучения лазерного излучателя 10. Эту линию размещают у края ПЗС- матрицы 13. После включения генератора 1 в измерительном объеме наблюдаются колебания среды и частиц, меняется частота отраженного от частиц света, т.е. происходит частотная модуляция лазерного излучения. If the particles in the measuring volume are motionless, then the spectrum of light reflected from them is one line corresponding to the frequency of the laser emitter 10. This line is placed at the edge of the CCD matrix 13. After turning on the generator 1, oscillations of the medium and particles are observed in the measuring volume, changes frequency of light reflected from particles, i.e. frequency modulation of laser radiation occurs.

Так как движение частиц осуществляется по синусоидальному закону, то происходит увеличение ширины линии спектра. Если группа частиц одной массы входит в резонанс, то происходит увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии спектра. Следовательно, к частотной модуляции монохроматического света добавляется амплитудная модуляция. Ширина полученного спектра несет информацию о массе частицы, находящейся в резонансе, а амплитуда спектра – о процентном соотношении этих частиц относительно их общего числа. Информация о спектре поступает микропроцессорное устройство управления и обработки 14, где происходит определение распределения взвешенных частиц по массе.Since the motion of particles is carried out according to a sinusoidal law, an increase in the width of the line of the spectrum occurs. If a group of particles of the same mass enters the resonance, then the width increases and the amplitude of the line of the spectrum decreases. Therefore, amplitude modulation is added to the frequency modulation of monochromatic light. The width of the obtained spectrum carries information on the mass of the particle in resonance, and the amplitude of the spectrum on the percentage of these particles relative to their total number. Information about the spectrum enters the microprocessor control and processing device 14, where the distribution of suspended particles by mass is determined.

Таким образом, рассмотренный способ, в отличие от известных, позволяет существенно повысить точность данных при определении распределения взвешенных частиц по массе.Thus, the considered method, unlike the known ones, can significantly increase the accuracy of the data when determining the distribution of suspended particles by mass.

Claims (1)

Способ определения распределения взвешенных частиц по массе, основанный на облучении исследуемого объекта лазерным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами светового потока, отличающийся тем, что при неизменных параметрах лазерного излучателя изменяется частота акустических колебаний, при этом отдельные частицы начинают входить в резонанс и происходит изменение частоты рассеянного светового потока за счет доплеровского эффекта, преломленное изображение которого в виде полос, образуемых треугольной призмой, поступает через объектив в ПЗС-матрицу и далее подается в микропроцессорное устройство управления и обработки для определения распределения частиц по массе.A method for determining the distribution of suspended particles by mass, based on the irradiation of the test object with laser and acoustic radiation and registration of the light flux scattered by the particles, characterized in that, at constant parameters of the laser emitter, the frequency of acoustic vibrations changes, while individual particles begin to enter the resonance and the frequency changes diffused light flux due to the Doppler effect, the refracted image of which in the form of strips formed by a triangular prism, enters through the lens into a CCD matrix and then fed to a microprocessor control and processing device to determine the distribution of particle mass.
RU2017120778A 2017-06-14 2017-06-14 Method of determination of distribution of weighed particles by mass RU2652654C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017120778A RU2652654C1 (en) 2017-06-14 2017-06-14 Method of determination of distribution of weighed particles by mass

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017120778A RU2652654C1 (en) 2017-06-14 2017-06-14 Method of determination of distribution of weighed particles by mass

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2652654C1 true RU2652654C1 (en) 2018-04-28

Family

ID=62105296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017120778A RU2652654C1 (en) 2017-06-14 2017-06-14 Method of determination of distribution of weighed particles by mass

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2652654C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4633714A (en) * 1985-08-13 1987-01-06 University Of Arkansas Aerosol particle charge and size analyzer
JPH08136434A (en) * 1994-11-05 1996-05-31 Horiba Ltd Analyzing method for particle size distribution
RU2346261C1 (en) * 2007-07-09 2009-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Method for determination of dispersed particles parameters
US20090316151A1 (en) * 2005-09-14 2009-12-24 University Of Washington Dynamic characterization of particles with flow cytometry
US20140305191A1 (en) * 2011-11-04 2014-10-16 Danmarks Tekniske Universitet Resonant fiber based aerosol particle sensor and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4633714A (en) * 1985-08-13 1987-01-06 University Of Arkansas Aerosol particle charge and size analyzer
JPH08136434A (en) * 1994-11-05 1996-05-31 Horiba Ltd Analyzing method for particle size distribution
US20090316151A1 (en) * 2005-09-14 2009-12-24 University Of Washington Dynamic characterization of particles with flow cytometry
RU2346261C1 (en) * 2007-07-09 2009-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Method for determination of dispersed particles parameters
US20140305191A1 (en) * 2011-11-04 2014-10-16 Danmarks Tekniske Universitet Resonant fiber based aerosol particle sensor and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103983549A (en) Method for measuring particle diameter and concentration based on ultrasonic pulsation principle
CN107356320A (en) A kind of impulse ultrasound sound field detection means and method
Desai et al. Comparison of bubble size distributions inferred from acoustic, optical visualisation, and laser diffraction
JP2017525968A (en) Method and device for acoustic estimation of bubble characteristics
WO2016129399A1 (en) Ultrasonic particle size measurement device and ultrasonic measurement device
Royer et al. Quantitative imaging of transient acoustic fields by optical heterodyne interferometry
US20220178817A1 (en) Optical Analysis Method and Optical Analysis System
EP0261868A2 (en) Method for particle analysis
JP5277432B2 (en) Suspended matter analysis method
RU2346261C1 (en) Method for determination of dispersed particles parameters
RU2652662C1 (en) Device for definition of distribution of weighed particles by mass
GB2196121A (en) Method and apparatus for visualizing ultrasonic waves in liquid-solid systems
RU2652654C1 (en) Method of determination of distribution of weighed particles by mass
GB2358703A (en) An optical system for determining particle size distribution
JP5360391B2 (en) Particle measuring method and apparatus
US6094266A (en) Detector for determining particle size distribution in an oscillating flow field
RU2650753C1 (en) Method for determining parameters of suspended particles
JPH1114533A (en) Particulate shape measuring instrument
Spiekhout et al. Time-resolved absolute radius estimation of vibrating contrast microbubbles using an acoustical camera
RU2655728C1 (en) Device for determining parameters of suspended particles
Lal et al. Whole-field laser vibrometer for buried land mine detection
Kotelnikova et al. Determination of the elastic properties of a solid sphere based on the results of acoustic beam scattering
DiMarzio et al. New imaging technique combining diffusive photon-density waves and focused ultrasound
Brodeur et al. Fiber characterization in a stationary ultrasonic field
WO2019108390A1 (en) Systems to measure particle size distribution and related methods