RU2810026C1 - Method and device for determining the concentration of suspended particles in a flow - Google Patents

Method and device for determining the concentration of suspended particles in a flow Download PDF

Info

Publication number
RU2810026C1
RU2810026C1 RU2022118598A RU2022118598A RU2810026C1 RU 2810026 C1 RU2810026 C1 RU 2810026C1 RU 2022118598 A RU2022118598 A RU 2022118598A RU 2022118598 A RU2022118598 A RU 2022118598A RU 2810026 C1 RU2810026 C1 RU 2810026C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
pipeline
suspended particles
lens
optical receiver
Prior art date
Application number
RU2022118598A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Андреевич Величко
Илья Александрович Горбунов
Сергей Ильич Горбунов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Глобус" (ООО "Глобус")
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Глобус" (ООО "Глобус") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Глобус" (ООО "Глобус")
Application granted granted Critical
Publication of RU2810026C1 publication Critical patent/RU2810026C1/en

Links

Abstract

FIELD: suspended particles concentration determination.
SUBSTANCE: invention relates to a method and device for determining the concentration of suspended particles in a stream. A device for determining the concentration of suspended particles in a stream contains a pipeline designed to pass a stream with suspended particles; a laser source configured to irradiate the pipeline with a beam at a predetermined angle to the flow direction, the pipeline and the flow being transparent to this beam; the first lens placed in the wall of the pipeline at the point of incidence of said beam and focused in the middle of the pipeline in the direction of propagation of the said beam; a second lens placed in the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens; the first optical receiver located on the opposite side of the laser source on the propagation line of said beam; the second optical receiver located on the opposite side of the laser source at the focal point of the second lens; a flow meter designed to determine the volume of flow that has passed through the pipeline for a given period of time; computing means connected to both optical receivers and the flow meter and configured to detect a signal received by the second optical receiver from radiation scattered by each suspended particle in said flow, and simultaneously register a signal received by the first optical receiver from radiation transmitted through the flow; as well as calculating the size of each suspended particle from simultaneously measured signals from both optical receivers and determining the concentration of suspended particles in the flow by dividing the number of suspended particles registered over a given period of time by the volume of flow that passed through the flowmeter during the same period of time.
EFFECT: expansion of the arsenal of technical means.
4 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к способу определения концентрации взвешенных частиц в потоке и к устройству для его осуществления. The present invention relates to a method for determining the concentration of suspended particles in a stream and to a device for its implementation.

Уровень техникиState of the art

Известны различные способы и устройства определения концентрации взвешенных частиц в потоке.Various methods and devices are known for determining the concentration of suspended particles in a flow.

В патентах РФ №2485481 (опубл. 20.06.2013), №2622494 (опубл. 15.06.2017) и №2626750 (опубл. 31.07.2017) описаны варианты способа анализа взвешенных частиц, реализуемого с помощью устройства, в котором через поток со взвешенными частицами пропускают многократно отраженный лазерный луч, отражения которого от взвешенных частиц регистрируются видеокамерой. Недостатком этих решений является чрезмерная сложность в реализации.RF patents No. 2485481 (published on June 20, 2013), No. 2622494 (published on June 15, 2017) and No. 2626750 (published on July 31, 2017) describe variants of the method for analyzing suspended particles, implemented using a device in which, through a flow with suspended The particles are passed through a multiply reflected laser beam, the reflections of which from the suspended particles are recorded by a video camera. The disadvantage of these solutions is that they are extremely difficult to implement.

В патентах РФ №2767953 (опубл. 22.03.2022) и №2770567 (опубл. 18.04.2022) раскрыты аналогичные способ и устройство анализа взвешенных частиц, где облучение потока осуществляют лазерным лучом, разделенным на опорный и объектный пучки для формирования голографических изображений на матрице из приборов с зарядовой связью видеокамеры. Эти решения имеют еще большую сложность.RF patents No. 2767953 (published on March 22, 2022) and No. 2770567 (published on April 18, 2022) disclose a similar method and device for analyzing suspended particles, where the flow is irradiated with a laser beam, divided into reference and object beams to form holographic images on the matrix from charge-coupled devices of a video camera. These solutions are even more complex.

В качестве ближайшего аналога принят патент РФ на полезную модель №186970 (опубл. 12.02.2019), раскрывающий датчик для измерения концентрации пыли, в измерительной камере которого проба воздуха облучается лазерным лучом инфракрасного диапазона, а рассеянное от взвешенных частиц и прошедшее через пробу части излучения регистрируются оптическими приемниками. Соотношение ослабленного и отраженного излучений дает в вычислительное устройство информацию о дисперсном составе пыли в заданном диапазоне.As the closest analogue, the Russian Federation patent for utility model No. 186970 (published on February 12, 2019) was adopted, revealing a sensor for measuring dust concentration, in the measuring chamber of which an air sample is irradiated with an infrared laser beam, and part of the radiation scattered from suspended particles and passed through the sample recorded by optical receivers. The ratio of attenuated and reflected radiation provides the computing device with information about the dispersed composition of dust in a given range.

Недостатком этого технического решения является работа только в стационарном объеме, а также невозможность определения того, как взвешенные частицы в потоке распределены по размерам.The disadvantage of this technical solution is that it works only in a stationary volume, as well as the impossibility of determining how suspended particles in the flow are distributed in size.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков ближайшего аналога и расширение арсенала технических средств с достижением технического результата в виде расширения функциональных возможностей, заключающихся в определении концентрации взвешенных частиц в потоке и их распределения по размерам.The objective of the present invention is to overcome the shortcomings of the closest analogue and expand the arsenal of technical means to achieve a technical result in the form of expanded functionality, which consists in determining the concentration of suspended particles in the flow and their size distribution.

Для решения отмеченной задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ определения концентрации взвешенных частиц в потоке, в котором: облучают лучом лазерного источника протекающий по трубопроводу поток со взвешенными частицами в нем, причем поток и трубопровод прозрачны для упомянутого луча, падающего на трубопровод под заданным углом к направлению потока; размещают в стенке трубопровода в месте падения упомянутого луча первую линзу, сфокусированную в середину трубопровода в направлении распространения упомянутого луча; размещают в противоположной стенке трубопровода напротив точки фокуса первой линзы вторую линзу; располагают первый оптический приемник с противоположной от лазерного источника стороны на линии распространения упомянутого луча; располагают второй оптический приемник с противоположной от лазерного источника стороны в точке фокуса второй линзы; регистрируют вторым оптическим приемником сигнал от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей в упомянутом потоке, и одновременно регистрируют первым оптическим приемником сигнал от излучения, прошедшего через поток; вычисляют по одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников размер каждой взвешенной частицы; - определяют концентрацию взвешенных частиц в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер.To solve the noted problem and achieve the specified technical result, the first object of the present invention proposes a method for determining the concentration of suspended particles in a stream, in which: a stream flowing through a pipeline with suspended particles in it is irradiated with a laser source beam, and the stream and the pipeline are transparent to the said beam incident onto the pipeline at a given angle to the direction of flow; a first lens is placed in the pipeline wall at the point where said beam falls, focused into the middle of the pipeline in the direction of propagation of said beam; a second lens is placed in the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens; placing the first optical receiver on the side opposite from the laser source on the line of propagation of the said beam; a second optical receiver is located on the side opposite to the laser source at the focal point of the second lens; registering with a second optical receiver a signal from radiation scattered by each suspended particle in said flow, and simultaneously registering with a first optical receiver a signal from radiation passing through the flow; calculating the size of each suspended particle from simultaneously measured signals from both optical receivers; - determine the concentration of suspended particles in the flow by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the volume of flow passing through the flow meter over the same period of time.

Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что падение луча лазерного источника на трубопровод под заданным углом к направлению потока могут обеспечивать посредством зеркала.A feature of the method according to the first object of the present invention is that the incidence of the laser source beam on the pipeline at a given angle to the flow direction can be ensured by means of a mirror.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для определения концентрации взвешенных частиц в потоке, содержащее: трубопровод, предназначенный для пропускания потока со взвешенными частицами; лазерный источник, выполненный для облучения трубопровода лучом под заданным углом к направлению потока, причем трубопровод и поток прозрачны для этого луча; первую линзу, размещенную в стенке трубопровода в месте падения упомянутого луча и сфокусированную в середину трубопровода в направлении распространения упомянутого луча; вторую линзу, размещенную в противоположной стенке трубопровода напротив точки фокуса первой линзы; первый оптический приемник, расположенный с противоположной от лазерного источника стороны на линии распространения упомянутого луча; второй оптический приемник, расположенный с противоположной от лазерного источника стороны в точке фокуса второй линзы; расходомер, предназначенный для определения объема потока, прошедшего по трубопроводу за заданный период времени; вычислительное средство, соединенное с обоими оптическими приемниками и расходомером и выполненное с возможностью: регистрации принятого вторым оптическим приемником сигнала от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей в упомянутом потоке, и одновременно регистрации принятого первым оптическим приемником сигнала от излучения, прошедшего через поток; вычисления размера каждой взвешенной частицы по одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников; определения концентрации взвешенных частиц в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер.To solve the same problem and achieve the same technical result, the second object of the present invention proposes a device for determining the concentration of suspended particles in a stream, comprising: a pipeline designed to pass a stream with suspended particles; a laser source designed to irradiate the pipeline with a beam at a given angle to the direction of the flow, and the pipeline and the flow are transparent to this beam; a first lens placed in the pipeline wall at the point of incidence of said beam and focused into the middle of the pipeline in the direction of propagation of said beam; a second lens placed in the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens; a first optical receiver located on the opposite side from the laser source on the line of propagation of said beam; a second optical receiver located on the side opposite to the laser source at the focal point of the second lens; a flow meter designed to determine the volume of flow passing through a pipeline over a given period of time; a computing means connected to both optical receivers and a flow meter and configured to: register a signal received by the second optical receiver from radiation scattered by each suspended particle in said flow, and simultaneously register a signal received by the first optical receiver from radiation passed through the flow; calculating the size of each suspended particle from simultaneously measured signals from both optical receivers; determining the concentration of suspended particles in a stream by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the volume of flow that passed through the flow meter over the same period of time.

Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что на пути луча лазерного источника может быть установлено зеркало, отклоняющее этот луч под заданным углом к направлению потока.A feature of the device according to the second object of the present invention is that a mirror can be installed in the path of the laser source beam, deflecting this beam at a given angle to the flow direction.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated by the accompanying drawings, in which like elements are designated by the same reference numerals.

На Фиг. 1 показана схема устройства по второму объекту настоящего изобретения.In FIG. 1 is a diagram of a device according to a second aspect of the present invention.

На Фиг. 2 проиллюстрирован ход лучей в схеме по Фиг. 1.In FIG. 2 illustrates the path of rays in the circuit shown in FIG. 1.

На Фиг. 3 представлены графики распределения интенсивности луча при прохождении через линзу.In FIG. Figure 3 shows graphs of the beam intensity distribution when passing through the lens.

На Фиг. 4 показано распределение рассеянного света в зависимости от отношения размера взвешенных частиц к длине волны.In FIG. Figure 4 shows the distribution of scattered light as a function of the ratio of suspended particle size to wavelength.

На Фиг. 5 и 6 приведены формы аналогового сигнала со второго оптического приемника для взвешенных частиц разных размеров.In FIG. Figures 5 and 6 show the analog signal shapes from the second optical receiver for suspended particles of different sizes.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Устройство по второму объекту настоящего изобретения содержит (Фиг. 1) трубопровод 1, предназначенный для пропускания потока со взвешенными частицами, которые обозначены ссылочной позицией 2. Стрелками 3 показано направление потока.The device according to the second object of the present invention contains (Fig. 1) a pipeline 1 designed to pass a flow of suspended particles, which are designated by the reference numeral 2. Arrows 3 indicate the direction of flow.

Устройство далее содержит лазерный источник 4, выполненный для облучения трубопровода 2 лучом под заданным углом к направлению 3 потока. Специально отметим, что трубопровод 2 и поток в нем прозрачны для этого луча, т.е. лазерный источник 4 выбран специально для просвечивания этого потока. К примеру, это может быть источник оптического излучения, выбор длины волны которого объясняется далее. Лазерный источник 4 может быть установлен под упомянутым выше заданным углом к направлению 3 потока, либо можно использовать зеркало 5 для поворота луча лазерного источника 4. Заданный угол в предпочтительном варианте осуществления близок к 45°, хотя может иметь и иное значение, например, 30° или 60° (не равное 90°).The device further contains a laser source 4 designed to irradiate the pipeline 2 with a beam at a given angle to the flow direction 3. We especially note that pipeline 2 and the flow in it are transparent to this beam, i.e. laser source 4 was chosen specifically to illuminate this flow. For example, this could be an optical radiation source, the choice of wavelength of which is explained below. The laser source 4 can be installed at the above-mentioned predetermined angle to the flow direction 3, or a mirror 5 can be used to rotate the beam of the laser source 4. The predetermined angle in the preferred embodiment is close to 45°, although it can be other value, for example, 30° or 60° (not equal to 90°).

В том месте стенки трубопровода, на которое направлен луч лазерного источника 4, размещена первая линза 6, сфокусированная в середину трубопровода 1 в направлении распространения упомянутого луча. В противоположной стенке трубопровода напротив точки фокуса первой линзы 6 размещена вторая линза 7.In the place of the pipeline wall to which the beam of the laser source 4 is directed, a first lens 6 is placed, focused into the middle of the pipeline 1 in the direction of propagation of the said beam. In the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens 6 there is a second lens 7.

Устройство содержит первый оптический приемник 8, расположенный с противоположной от лазерного источника 4 стороны на линии распространения его луча, и второй оптический приемник 9, расположенный с противоположной от лазерного источника 4 стороны в точке фокуса второй линзы 7.The device contains a first optical receiver 8 located on the side opposite from the laser source 4 on the line of propagation of its beam, and a second optical receiver 9 located on the side opposite from the laser source 4 at the focal point of the second lens 7.

Устройство далее содержит расходомер (не показано), предназначенный для определения объема потока, прошедшего по трубопроводу 1 за заданный период времени, и вычислительное средство (не показано), соединенное с обоими оптическими приемниками 8 и 9 и с расходомером. Это вычислительное средство может быть, например, компьютером, процессором с памятью, контроллером и т.п. Вычислительное средство выполнено (запрограммировано) с возможностью осуществлять следующие операции:The device further comprises a flow meter (not shown) designed to determine the volume of flow passing through the pipeline 1 over a given period of time, and a computing means (not shown) connected to both optical receivers 8 and 9 and to the flow meter. This computing means may be, for example, a computer, a processor with memory, a controller, or the like. The computing device is configured (programmed) with the ability to perform the following operations:

- регистрация принятого вторым оптическим приемником 9 сигнала от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей 2 в потоке, с одновременной регистрацией принятого первым оптическим приемником 8 сигнала от излучения, прошедшего через поток;- registration of the signal received by the second optical receiver 9 from radiation scattered by each suspended particle 2 in the flow, with simultaneous registration of the signal received by the first optical receiver 8 from radiation passed through the flow;

- вычисление размера каждой взвешенной частицы 2 по одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников 8 и 9;- calculating the size of each suspended particle 2 from simultaneously measured signals from both optical receivers 8 and 9;

- определение концентрации взвешенных частиц 2 в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер.- determination of the concentration of suspended particles 2 in the flow by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the volume of flow passing through the flow meter over the same period of time.

Фиг. 2 поясняет ход лучей в устройстве по второму объекту настоящего изобретения и выбор соответствующих размеров. В частном случае эти размеры могут составлять, к примеру:Fig. 2 explains the path of the beams in the device according to the second aspect of the present invention and the selection of appropriate dimensions. In a particular case, these dimensions can be, for example:

D0=7 мм - диаметр трубопровода 1;D0=7 mm - pipeline diameter 1;

L0=30 мм - расстояние от лазерного источника 4 до зеркала 2;L0=30 mm - distance from laser source 4 to mirror 2;

L1=10 мм - расстояние от зеркала 3 до первой линзы 6;L1=10 mm - distance from mirror 3 to first lens 6;

F0=4,95 мм - фокусное расстояние первой линзы 6;F0=4.95 mm - focal length of the first lens 6;

L3=3,57 мм - расстояние от точки фокуса первой линзы 6 до центра оптической оси второй линзы 7;L3=3.57 mm - distance from the focal point of the first lens 6 to the center of the optical axis of the second lens 7;

F1=8 мм - расстояние между фокусом второй линзы 7 и вторым оптическим приемником 9;F1=8 mm - the distance between the focus of the second lens 7 and the second optical receiver 9;

L2=16,26 мм - расстояние от точки фокуса первой линзы 6 до первого оптического приемника 8.L2=16.26 mm - distance from the focal point of the first lens 6 to the first optical receiver 8.

Графики распределения интенсивности I луча лазерного источника 4 при прохождении через первую линзу 6 представлены на Фиг. 3. На этом чертеже обозначено:Graphs of the intensity distribution I of the laser source 4 beam when passing through the first lens 6 are presented in Fig. 3. This drawing indicates:

2w0 - минимальный диаметр луча в фокусе первой линзы 6;2w 0 - minimum beam diameter at the focus of the first lens 6;

zR - расстояние, на котором интенсивность луча падает в два раза по сравнению с точкой фокуса;z R is the distance at which the beam intensity drops by half compared to the focal point;

r - расстояние от фокуса.r is the distance from the focus.

Теперь поясним выбор лазерного источника 4. Длина волны его излучения предпочтительно не должна превышать ~ 650 нм для уменьшения размера 2w0, но, в то же время, должна быть максимально близкой к максимуму спектральный чувствительности оптических приемников 8 и 9. Для такой длины волны указанные размеры составляют 2w0 ≈ 20 мкм и zR ≈ 100 мкм.Now let us explain the choice of laser source 4. The wavelength of its radiation should preferably not exceed ~ 650 nm to reduce the size of 2w 0 , but, at the same time, should be as close as possible to the maximum spectral sensitivity of optical receivers 8 and 9. For this wavelength, the indicated the dimensions are 2w 0 ≈ 20 µm and z R ≈ 100 µm.

При прохождении частицы через фокус мы можем наблюдать физическое явление, проиллюстрированное на Фиг. 4, где показаны диаграммы рассеяния, т.е. распределение интенсивности I рассеянного света в зависимости от отношения размера взвешенной частицы к длине λ волны. Из Фиг. 4 видно, что распределение рассеянного света взвешенной частицей зависит от отношения характерного размера самой частицы к длине λ волны. Под характерным размером подразумевается диаметр частицы, так как в расчетах условно принято, что все частицы имеют сферическую форму.When a particle passes through the focus, we can observe the physical phenomenon illustrated in Fig. 4, which shows the scatter diagrams, i.e. distribution of intensity I of scattered light depending on the ratio of the size of the suspended particle to the wavelength λ. From Fig. 4 it can be seen that the distribution of scattered light by a suspended particle depends on the ratio of the characteristic size of the particle itself to the wavelength λ. The characteristic size refers to the particle diameter, since in calculations it is conventionally assumed that all particles have a spherical shape.

В зоне прямого луча интенсивность рассеянного излучения слишком велика и не будет сильно отличаться от интенсивности падающего луча, когда ему ничего не препятствует, что приведет к проблемам считывания сигнала. Именно поэтому второй оптический приемник 9 установлен в зоне прямого рассеяния, т.е. предпочтительно на угол в 45° от направления луча лазерного источника 4.In the direct beam area, the intensity of the scattered radiation is too high and will not differ much from the intensity of the incident beam when there is nothing obstructing it, which will lead to problems reading the signal. That is why the second optical receiver 9 is installed in the forward scattering zone, i.e. preferably at an angle of 45° from the direction of the beam of the laser source 4.

Вычисление количественной концентрации взвешенных частиц 2 оптическим методом сводится к классической задаче электродинамики, решенной еще в 1908 году Густавом Ми, что очень хорошо работает с частицами, характерный размер которых не превышает 10 мкм. После 10 мкм количественная концентрация вычисляется частным случаем Рассеяния Ми - приближением Фраунгофера.Calculating the quantitative concentration of suspended particles 2 by the optical method comes down to the classical problem of electrodynamics, solved back in 1908 by Gustav Mie, which works very well with particles whose characteristic size does not exceed 10 microns. After 10 µm, the quantitative concentration is calculated by a special case of Mie scattering - the Fraunhofer approximation.

Пусть I0 - интенсивность падающего света, I - интенсивность рассеянного света в некоторой точке на большом расстоянии r от частицы и k - волновое число, определяемое соотношением k=2π/λ, где λ - длина волны в окружающей частицу среде. Так как I должно быть пропорционально I0 и r, можно записать: Let I 0 be the intensity of the incident light, I the intensity of the scattered light at a certain point at a large distance r from the particle, and k the wave number determined by the relation k=2π/λ, where λ is the wavelength in the medium surrounding the particle. Since I must be proportional to I 0 and r, we can write:

Здесь F (θ, ϕ) является безразмерной функцией направления и не зависит от r. Она зависит от ориентации частицы по отношению к падающей волне и от состояния поляризации падающей волны. Относительные значения можно нанести на полярную диаграмму в функции угла для фиксированной плоскости рассеяния, содержащей направление падающего светового пучка. Эта диаграмма называется диаграммой рассеяния данной частицы (Фиг. 4). Практически наиболее важный результат рассеяния света в дисперсных средах состоит в энергетическом ослаблении падающего потока за счет перераспределения (рассеяния) части этого потока по всем направлениям. Для количественной характеристики такого ослабления можно ввести понятия о коэффициентах поглощения, а также рассеяния (ослабления). Рассеянная во всех направлениях электромагнитная энергия суммарного потока к отношению интенсивности падающего потока называется коэффициентом σp рассеяния частицы.Here F(θ, ϕ) is a dimensionless function of direction and does not depend on r. It depends on the orientation of the particle relative to the incident wave and on the polarization state of the incident wave. Relative values can be plotted on a polar diagram as a function of angle for a fixed scattering plane containing the direction of the incident light beam. This diagram is called the scattering diagram of a given particle (Fig. 4). In practice, the most important result of light scattering in dispersed media is the energetic weakening of the incident flux due to the redistribution (scattering) of part of this flux in all directions. To quantitatively characterize such attenuation, one can introduce the concepts of absorption and scattering (attenuation) coefficients. The electromagnetic energy of the total flux scattered in all directions to the ratio of the intensity of the incident flux is called the particle scattering coefficient σ p .

Аналогичное отношение со знаком минус полного потока энергии (падающей и рассеянной) через большую сферу с центром, находящимся в центре частицы, к интенсивности падающего потока называется коэффициентом σп поглощения частицы. Если брать во внимание интенсивность потока и размерность потока энергии, то для размерности коэффициентов рассеяния частицей имеем площадь. Поэтому эти коэффициенты называются эффективными поперечниками рассеяния или поглощения. Измерения рассеяния и ослабления дают нам возможность определить (по крайней мере, в принципе) размер и распределение частиц по размерам, их форму и ориентацию.A similar ratio with a minus sign of the total energy flux (incident and scattered) through a large sphere with the center located at the center of the particle to the intensity of the incident flux is called the particle absorption coefficient σ p . If we take into account the intensity of the flow and the dimension of the energy flow, then for the dimension of the scattering coefficients by a particle we have the area. Therefore, these coefficients are called effective scattering or absorption cross sections. Scattering and attenuation measurements enable us to determine (at least in principle) the size and size distribution of particles, their shape and orientation.

Из теории Ми следует, что угловое распределение света, рассеянного частицами дисперсной среды, однозначно связано с радиусом R частицы. Интенсивность света, рассеянного одной частицей под разными углами к направлению падающего луча (индикатриса рассеяния света), определяется следующим соотношением:It follows from Mie theory that the angular distribution of light scattered by particles of a dispersed medium is uniquely related to the radius R of the particle. The intensity of light scattered by one particle at different angles to the direction of the incident beam (light scattering indicatrix) is determined by the following relationship:

где m - показатель преломления вещества частицы; z - расстояние от частицы до регистрирующего прибора, λ - длина волны, I0 и I - интенсивности падающего и рассеянного излучателей соответственно, γ - угол, под которым измеряется интенсивность рассеянного излучения относительно направления падающего излучения.where m is the refractive index of the particle substance; z is the distance from the particle to the recording device, λ is the wavelength, I 0 and I are the intensities of the incident and scattered emitters, respectively, γ is the angle at which the intensity of the scattered radiation is measured relative to the direction of the incident radiation.

Из этого уравнения можно вычислить зависимость радиуса частицы с амплитудными значениями интенсивности света, которые будут возбуждать ток в оптическом приемнике:From this equation we can calculate the dependence of the particle radius on the amplitude values of the light intensity that will excite the current in the optical receiver:

Когда частица достигает размеров, где теория Ми не может достоверно подсчитать размер частицы (т.е. размер частицы превышает 10 мкм), используется частный случай теории Ми - приближение Фраунгофера.When a particle reaches a size where the Mie theory cannot reliably calculate the particle size (i.e., the particle size exceeds 10 μm), a special case of the Mie theory is used - the Fraunhofer approximation.

Так как индикатриса рассеяния фокусируется на оптическом приемнике, то расчет размеров частицы сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма первого рода:Since the scattering indicatrix is focused on the optical receiver, the calculation of the particle size is reduced to solving the Fredholm integral equation of the first kind:

где: - параметр дифракции излучения на частицы; d - характерный размер частицы; λ - длина волны; I(θ) - интенсивность излучения, падающего на частицу; I0 - интенсивность рассеянного света; ƒ(р) - функция распределения частиц по размеру; k(р,θ) - ядро Фредгольма (ядро интегрального уравнения).Where: - parameter of radiation diffraction by particles; d is the characteristic particle size; λ - wavelength; I(θ) is the intensity of radiation incident on the particle; I 0 - intensity of scattered light; ƒ(p) - particle size distribution function; k(р,θ) - Fredholm kernel (kernel of the integral equation).

Эти соотношения лежат в основе программирования вычислительного средства в устройстве по настоящему изобретению.These relationships form the basis for programming the computing power in the device of the present invention.

Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется с помощью описанного устройства следующим образом.The method according to the first object of the present invention is implemented using the described device as follows.

Устанавливают лазерный источник 4 таким образом, чтобы его луч падал на трубопровод 1 под заданным углом. Возможно для этой цели использовать зеркало 5. В стенке трубопровода 1 в месте падения этого луча размещают первую линзу 6, сфокусированную в середину трубопровода 1 в направлении распространения упомянутого луча, а в противоположной стенке трубопровода 1 напротив точки фокуса первой линзы 6 размещают вторую линзу 7. Располагают первый оптический приемник 8 с противоположной от лазерного источника 4 стороны на линии распространения его луча, второй оптический приемник 9 располагают с противоположной от лазерного источника 4 стороны в точке фокуса второй линзы 7.The laser source 4 is installed so that its beam falls on the pipeline 1 at a given angle. It is possible to use a mirror 5 for this purpose. In the wall of the pipeline 1, at the point of incidence of this beam, a first lens 6 is placed, focused in the middle of the pipeline 1 in the direction of propagation of the said beam, and in the opposite wall of the pipeline 1, opposite the focal point of the first lens 6, a second lens 7 is placed. The first optical receiver 8 is located on the side opposite from the laser source 4 on the line of propagation of its beam, the second optical receiver 9 is located on the side opposite from the laser source 4 at the focal point of the second lens 7.

Облучают лучом лазерного источника 4 протекающий по трубопроводу 1 поток со взвешенными частицами 2, причем поток и трубопровод 1 прозрачны для луча лазерного источника 4.The flow with suspended particles 2 flowing through pipeline 1 is irradiated with the beam of the laser source 4, and the flow and pipeline 1 are transparent to the beam of the laser source 4.

Регистрируют вторым оптическим приемником 9 сигнал от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей 2 в потоке, и одновременно регистрируют первым оптическим приемником 8 сигнал от излучения, прошедшего через поток. Измеренные значения фиксируют в памяти вычислительного средства.The second optical receiver 9 registers the signal from the radiation scattered by each suspended particle 2 in the flow, and simultaneously registers the signal from the radiation passing through the flow with the first optical receiver 8. The measured values are recorded in the memory of the computing device.

По одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников 8 и 9 с помощью вычислительного средства вычисляют размер каждой взвешенной частицы 2, попавшей в фокус первой линзы 6, а также определяют количество взвешенных частиц, проходящих через фокус первой линзы 6 за заданный период времени.Using simultaneously measured signals from both optical receivers 8 and 9, the size of each suspended particle 2 that falls into the focus of the first lens 6 is calculated using a computer, and the number of suspended particles passing through the focus of the first lens 6 for a given period of time is determined.

С помощью расходомера регистрируют объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер. В вычислительном средстве определяют концентрацию взвешенных частиц в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на зарегистрированный объем потока.A flow meter is used to record the volume of flow that has passed through the flow meter over the same period of time. The computational tool determines the concentration of suspended particles in a stream by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the recorded volume of the stream.

Поскольку диаметр трубопровода достаточно мал, теми частицами, которые проходят мимо точки фокуса первой линзы 6, можно пренебречь. Как показали эксперименты, способ по первому объекту настоящего изобретения позволяет определять концентрацию взвешенных частиц с точностью не хуже ±10%.Since the diameter of the pipeline is quite small, those particles that pass by the focal point of the first lens 6 can be neglected. As experiments have shown, the method according to the first object of the present invention makes it possible to determine the concentration of suspended particles with an accuracy of no worse than ±10%.

Таким образом, настоящее изобретение расширяет арсенал технических средств и обеспечивает достижение технического результата в виде расширения функциональных возможностей, которые заключаются в определении концентрации взвешенных частиц в потоке и их распределения по размерам.Thus, the present invention expands the arsenal of technical means and ensures the achievement of a technical result in the form of expanded functionality, which consists in determining the concentration of suspended particles in the flow and their size distribution.

Claims (23)

1. Способ определения концентрации взвешенных частиц в потоке, в котором:1. A method for determining the concentration of suspended particles in a stream in which: - облучают лучом лазерного источника протекающий по трубопроводу поток со взвешенными частицами в нем, причем поток и трубопровод прозрачны для упомянутого луча, падающего на трубопровод под заданным углом к направлению потока;- irradiate the flow with suspended particles in it flowing through the pipeline with a laser source beam, and the flow and the pipeline are transparent to the said beam incident on the pipeline at a given angle to the direction of the flow; - размещают в стенке трубопровода в месте падения упомянутого луча первую линзу, сфокусированную в середину трубопровода в направлении распространения упомянутого луча;- a first lens is placed in the wall of the pipeline at the point of incidence of the said beam, focused into the middle of the pipeline in the direction of propagation of the said beam; - размещают в противоположной стенке трубопровода напротив точки фокуса первой линзы вторую линзу;- place a second lens in the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens; - располагают первый оптический приемник с противоположной от лазерного источника стороны на линии распространения упомянутого луча;- the first optical receiver is placed on the side opposite from the laser source on the line of propagation of the said beam; - располагают второй оптический приемник с противоположной от лазерного источника стороны в точке фокуса второй линзы;- a second optical receiver is placed on the side opposite to the laser source at the focal point of the second lens; - регистрируют вторым оптическим приемником сигнал от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей в упомянутом потоке, и одновременно регистрируют первым оптическим приемником сигнал от излучения, прошедшего через поток;- registering with a second optical receiver the signal from radiation scattered by each suspended particle in said flow, and simultaneously registering with the first optical receiver the signal from radiation passing through the flow; - вычисляют по одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников размер каждой взвешенной частицы;- calculate the size of each suspended particle from simultaneously measured signals from both optical receivers; - определяют концентрацию взвешенных частиц в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер.- determine the concentration of suspended particles in the flow by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the volume of flow passing through the flow meter over the same period of time. 2. Способ по п. 1, в котором падение луча лазерного источника на трубопровод под заданным углом к направлению потока обеспечивают посредством зеркала.2. The method according to claim 1, in which the incidence of the laser source beam on the pipeline at a given angle to the flow direction is ensured by means of a mirror. 3. Устройство для определения концентрации взвешенных частиц в потоке, содержащее:3. A device for determining the concentration of suspended particles in a stream, containing: - трубопровод, предназначенный для пропускания потока со взвешенными частицами;- a pipeline designed to pass a flow with suspended particles; - лазерный источник, выполненный для облучения трубопровода лучом под заданным углом к направлению потока, причем трубопровод и поток прозрачны для этого луча;- a laser source designed to irradiate the pipeline with a beam at a given angle to the direction of flow, and the pipeline and flow are transparent to this beam; - первую линзу, размещенную в стенке трубопровода в месте падения упомянутого луча и сфокусированную в середину трубопровода в направлении распространения упомянутого луча;- a first lens placed in the pipeline wall at the point of incidence of said beam and focused into the middle of the pipeline in the direction of propagation of said beam; - вторую линзу, размещенную в противоположной стенке трубопровода напротив точки фокуса первой линзы;- a second lens placed in the opposite wall of the pipeline opposite the focal point of the first lens; - первый оптический приемник, расположенный с противоположной от лазерного источника стороны на линии распространения упомянутого луча;- a first optical receiver located on the side opposite to the laser source on the line of propagation of said beam; - второй оптический приемник, расположенный с противоположной от лазерного источника стороны в точке фокуса второй линзы;- a second optical receiver located on the side opposite to the laser source at the focal point of the second lens; - расходомер, предназначенный для определения объема потока, прошедшего по трубопроводу за заданный период времени;- a flow meter designed to determine the volume of flow passing through the pipeline for a given period of time; - вычислительное средство, соединенное с обоими оптическими приемниками и расходомером и выполненное с возможностью:- a computing means connected to both optical receivers and a flow meter and configured to: - регистрации принятого вторым оптическим приемником сигнала от излучения, рассеянного каждой взвешенной частицей в упомянутом потоке, и одновременно регистрации принятого первым оптическим приемником сигнала от излучения, прошедшего через поток;- registering the signal received by the second optical receiver from radiation scattered by each suspended particle in said flow, and simultaneously registering the signal received by the first optical receiver from radiation passing through the flow; - вычисления размера каждой взвешенной частицы по одновременно измеренным сигналам от обоих оптических приемников;- calculating the size of each suspended particle using simultaneously measured signals from both optical receivers; - определения концентрации взвешенных частиц в потоке путем деления количества взвешенных частиц, зарегистрированных за заданный период времени, на объем потока, прошедшего за тот же период времени через расходомер.- determining the concentration of suspended particles in a flow by dividing the number of suspended particles recorded over a given period of time by the volume of flow passing through the flow meter over the same period of time. 4. Устройство по п. 3, в котором на пути луча лазерного источника установлено зеркало, отклоняющее этот луч под заданным углом к направлению потока.4. The device according to claim 3, in which a mirror is installed in the path of the laser source beam, deflecting this beam at a given angle to the direction of flow.
RU2022118598A 2022-07-07 Method and device for determining the concentration of suspended particles in a flow RU2810026C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2810026C1 true RU2810026C1 (en) 2023-12-21

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2352982B1 (en) * 2008-11-06 2015-09-30 Stanislaw Kaminski Method for measuring dust concentration in flowing gas and device for measuring dust concentration in flowing gas
RU186970U1 (en) * 2017-12-18 2019-02-12 Дарья Анатольевна Трубицына SENSOR FOR MEASURING DUST CONCENTRATION
RU2767953C1 (en) * 2021-06-26 2022-03-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», (ДГТУ) Suspended particle analysis device
RU2770567C1 (en) * 2021-06-26 2022-04-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», (ДГТУ) Method for holographic analysis of suspended particles

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2352982B1 (en) * 2008-11-06 2015-09-30 Stanislaw Kaminski Method for measuring dust concentration in flowing gas and device for measuring dust concentration in flowing gas
RU186970U1 (en) * 2017-12-18 2019-02-12 Дарья Анатольевна Трубицына SENSOR FOR MEASURING DUST CONCENTRATION
RU2767953C1 (en) * 2021-06-26 2022-03-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», (ДГТУ) Suspended particle analysis device
RU2770567C1 (en) * 2021-06-26 2022-04-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет», (ДГТУ) Method for holographic analysis of suspended particles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2930710B2 (en) Particle size analysis using differential polarization intensity scattering
JP2825644B2 (en) Particle size analysis method and apparatus
CN101171506B (en) Wafer edge inspection
JP2763770B2 (en) Light scattering characteristics measurement method
US5104221A (en) Particle size analysis utilizing polarization intensity differential scattering
JP5728470B2 (en) Method and apparatus for measuring optical force acting on particles
JP2016540203A (en) Improvements in particle characterization
US20200225142A1 (en) A method for the characterization of objects by means of scattered radiation analysis and related instrumentations
Lilienfeld Optical detection of particle contamination on surfaces: a review
CN101504352A (en) Inverse-Fourier transform particle on-line measurement apparatus for thick sample pool
Onofri et al. Optical particle characterization
RU2810026C1 (en) Method and device for determining the concentration of suspended particles in a flow
KR950014849A (en) Photometric detectors scattered by thin films of colloidal media
US6138083A (en) Surface contaminant probe
Brunsting Can light-scattering techniques be applied to flow-through cell analysis?
EP3608653A1 (en) Apparatus and method for measuring particle size using backscattered light
JP3011836B2 (en) Particle measurement device
Chen et al. Light scattering of particles illuminated by a divergent beam
JP3280401B2 (en) Defect inspection device and defect inspection method
RU2814453C1 (en) Method for quantitative assessment of masking ability of aerosol and installation for its implementation
US5212393A (en) Sample cell for diffraction-scattering measurement of particle size distributions
US20220057316A1 (en) Particle standards for reflected light scatter measurements from degenerate particle foci
JP2001330551A (en) Particle measuring instrument
SU1728742A1 (en) Optical method for testing volume content of particles in solution
Meric et al. Platelet counting by light diffraction