SU940013A2

SU940013A2 - Photoelectric method of measuring dimension and concentration of suspended particles

Info

Publication number: SU940013A2
Application number: SU792807467A
Authority: SU
Inventors: Сергей Михайлович Коломиец
Original assignee: Институт Экспериментальной Метеорологии
Priority date: 1979-08-08
Filing date: 1979-08-08
Publication date: 1982-06-30

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, измерений ’ размеров и концентрации взвешенных частиц, и может быть использовано в метеорологии, биологии, химической технолох * гии, контроле загрязнений о кружащей среды для измерений размеров и концентрации взвешенных частиц микронных размеров.The invention relates to measuring technique, in particular, measurements ’of the size and concentration of suspended particles, and can be used in meteorology, biology, chemical technology *, environmental pollution control for measuring the size and concentration of suspended micron particles.

По основному авт. св. № 857789, ю известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц, состоящий в том, что исследуемые частицы освещают и регистрируют импульсы рассеянного света, причем и освещение частиц производят пучками света, сканируемыми в плоскости, перпундикулярной направлению движения частиц, импульсы от рассеянного света фотоэлектрическим способом превращают 20 в электрические сигналы, которые формируют в пачки, выделяют их сгибающие, по которым судят о размерах и концентрации частиц.According to the main author. St. No. 857789, a known photovoltaic method for measuring the size and concentration of suspended particles, consisting in the fact that the studied particles illuminate and register pulses of scattered light, and the particles are illuminated by light beams scanned in a plane perpendicular to the direction of motion of the particles, pulses from the scattered light are photoelectric the method of turning 20 into electrical signals, which form into packets, distinguish them by bending, which are used to judge the size and concentration of particles.

В этом случае удается существенно уменьшить погрешности, возникающие за счет неоднородности освещенности рабочего объема для частиц, пролетающих плоскость сканирования в пределах, определяемых крайними положениями максимума интенсивности светового пучка. В то же время, краевые эффекты влияние областей, находящихся за этими положениями (в направлении сканирования), где интенсивность пучка заведомо меньше максимальной, в известном способе устраняются. При этом чем меньше отношение амплитуды сканирования к диаметру пучка (относительная амплитуда сканирования), тем больше влияние краевых эффектов. В результате для рабочих объемов с малой относительной амплитудой сканирования, погрешности за счет неоднородности освещенности могут быть достаточно велики.In this case, it is possible to significantly reduce the errors arising due to the inhomogeneity of the illumination of the working volume for particles flying through the scanning plane within the limits determined by the extreme positions of the maximum intensity of the light beam. At the same time, the edge effects of the regions beyond these positions (in the scanning direction), where the beam intensity is obviously less than the maximum, are eliminated in the known method. Moreover, the smaller the ratio of the scanning amplitude to the beam diameter (relative scanning amplitude), the greater the influence of edge effects. As a result, for working volumes with a small relative scanning amplitude, errors due to inhomogeneity of illumination can be quite large.

Цель изобретения - уменьшение погрешностей измерений.The purpose of the invention is the reduction of measurement errors.

Указанная цель достигается тем, что в способе измеряют длительность импульсов по выбранному относительному уровню,, и в пачки формируют только те импульсы, длительность которых не мень— 5 ше величины (^/2),-(()/7), где d - диаметр пучка по тому же уровню;This goal is achieved by the fact that in the method the pulse duration is measured at the selected relative level, and only those pulses are formed in the packets, the duration of which is not less than 5 times the magnitude (^ / 2), - (() / 7), where d - beam diameter at the same level;

V - скорость перемещения пучка от- носительно частицы. 10 ' В данном случае используется то обстоятельство, что длительность импульсо! по относительному уровню зависит только от координаты (в направлении сканирования) пересечения частицами плоскости 15 сканирования. Если частицы пролетают за крайними положениями максимумов интенсивности светового пучка, то очевиДно пучок пересекает их только своей частью, меньшей половины. Если же час- ?о тицы пролетают внутри крайних положений максимумов, то пучок пересекает их своей' частью, большей половины (в том числе и целиком).V is the velocity of the beam relative to the particle. 10 'In this case, we use the fact that the pulse duration! relative level depends only on the coordinate (in the scanning direction) of the intersection of the scanning plane 15 by the particles. If particles fly past the extreme positions of the light beam intensity maxima, then the beam only crosses them with only its part, less than half. If the particles fly inside the extreme positions of the maxima, then the beam crosses them with its part, more than half (including the whole).

Действительно, рассмотрим Гауссов 25 световой пучок. В этом случае форма импульса, образованного при пересечении частицы всем пучком, имеет вид u(t)--u_oexpj-(^_r где СТ - радиус пучка (по уровню б );Indeed, consider a Gaussian 25 light beam. In this case, the shape of the pulse formed when the particle intersects the entire beam has the form u (t) - u _o expj - (^ _r where CT is the beam radius (at level b);

U_o- максимальная амплитуда, зависящая от размера R частиц, координаты пересечения частицы пучком в направлении движения частиц, интенсивности пучка, чувствительности приемной системы и т.д.;U _o - the maximum amplitude, depending on the size R of the particles, the coordinates of the intersection of the particle beam in the direction of particle motion, beam intensity, sensitivity of the receiving system, etc .;

V - скорость перемещения пучка ₄ относительно частицы (полагаем, что сканирование происходит с постоянной скоростью, аналогично развертке в осциллографе, и обратный ход не * учитываем). Считаем также, что R. <<СГ.V is the velocity of the beam ₄ relative to the particle (we assume that scanning occurs at a constant speed, similar to the sweep in an oscilloscope, and we do not * take the return stroke into account). We also consider that R. << SG.

Очевидно, что длительность импульсовТ по Выбранному относительному уровню, накример, по уровню не зависит от , .ίΐΰ \ υ₀ ^отку^дй It is obvious that the length of impulsovT selected relative level nakrimer, the level does not depend on, .ίΐΰ \ υ ₀ ^OTC at ^dD

Чт)-т’Th) -t ’

(Если же пучок имеет какую-то другую форму, то Τ_ο где с? - диаметр пучка по тому же уровню, например^/?).(If the beam has some other shape, then Τ _ο where c? Is the diameter of the beam at the same level, for example ^ /?).

Если частицы пересекаются всем пучком, то длительность по относительному уровню всех импульсов в пачке (возникающей при пересечении частицы различными областями пучка) одинакова.If the particles intersect with the entire beam, then the duration of the relative level of all pulses in the packet (arising when the particles cross different regions of the beam) is the same.

В то же время, частицы пересекаются всем пучком (в плоскости сканирования), если их координата в направлении сканирования / X / где А - амплитуда сканирования (полный размах сканировав ния - 2А) и начало координат выбрано в среднем участке сканируемой зоны. Если же A-G5/x/$ А, то пучок пересекает частицы (при каждом цикле сканирования) только своей частью, не меньшей половины. Соответственно, в этом случае длительность импульсов лежит в пределахAt the same time, the particles intersect with the entire beam (in the scanning plane) if their coordinate in the scanning direction is / X / where A is the scanning amplitude (total scanning range is 2A) and the origin is selected in the middle section of the scanned area. If A-G5 / x / $ A, then the beam crosses the particles (with each scanning cycle) only by its part, not less than half. Accordingly, in this case, the pulse duration lies within

Отметим, что область /х / < Д как раз соответствует области внутри крайних . положений максимумов светового пучка.We note that the region / x / <Δ just corresponds to the region inside the extreme ones. the positions of the maxima of the light beam.

Если /Х/7 А, то Т< ^'Са- Итак, в той области, где может быть существенной неоднородность освещенности рабочего пучка, длительность каждого импульса в пачке не превосходит половины длительности импульсов, образованных при пере30 сечении частицы всем пучком, т.е. максимальной возможной длительности импульсов по выбранному уровню).If / X / 7 A, then T <C '. Thus, in the region where the irregularity of the illumination of the working beam can be significant, the duration of each pulse in the packet does not exceed half the duration of the pulses formed when the particle crosses the entire beam, i.e. e. the maximum possible pulse duration for the selected level).

Необходимо отметить, что при измерении длительности импульсов по заданному уровню и при использовании светового пучка круглого сечения (неподвижного) длительность импульсов тоже зависит от координаты их пролета и можно в некото»рой степени устранить влияние краевых эффектов (так называемое оптоэлектронное формирование рабочего объема). Однако при этом длительность импульсов зависит и от размера частиц, в результате чего для каждого размера частиц имеется своя величина рабочего объема, что приводит к погрешностям в измерении концентрации. Очевидно, что при неподвижном пучке измерение по относительному уровню дает постоянную длительность импульса для всех координат пролета частиц.It should be noted that when measuring pulse durations at a given level and when using a circular beam of light (fixed), the pulse duration also depends on the coordinate of their span and the influence of edge effects (the so-called optoelectronic working volume formation) can be eliminated to some extent. However, in this case, the pulse duration also depends on the particle size, as a result of which each particle size has its own working volume value, which leads to errors in the concentration measurement. Obviously, with a stationary beam, measurement by a relative level gives a constant pulse duration for all the coordinates of the passage of particles.

Таким образом, измерение по относительному уровню позволяет избавиться от зависимости длительности импульсов ⁵⁵ от размера частиц. Но зависимость этой длительности от координат их пролета возможна только при сканировании светового пучка.Thus, the measurement at a relative level allows you to get rid of the dependence of the duration of the pulses ⁵⁵ on the particle size. But the dependence of this duration on the coordinates of their passage is possible only when scanning a light beam.

пучка где Аbeam where a

Отметим, что скорость перемещения равна 2А/, Т, .Note that the speed of movement is 2A /, T,.

- амплитуда сканирования (полный размах составляет 2А),- scanning amplitude (full scale is 2A),

- длительность одного цикла сканирования.- the duration of one scan cycle.

Если скорость движения частиц V« , то можно считать, что V = 2ΑΙ~ΐ·If the particle velocity V «, then we can assume that V = 2ΑΙ ~ ΐ ·

Схема устройства для реализации данного способа представлена на чертеже.A diagram of a device for implementing this method is presented in the drawing.

Источником света является лазер, 1,The light source is a laser, 1,

На пути светового пучка установлены дефлектор 2 (электрооптический или акустооптический), подключенный к блоку 13 управления, фокусирующий объектив 3 и ¹⁵поглотитель 4, Схема прососа (не показана) обеспечивает движение частиц со скоростью V перпендикулярно плоскости чертежа. Приемная система состоит из объектива 5, диафрагмы 6 поля зрения, фотоприемника 7, линии задержки 8, измерителя 9 длительности импульсов, электронного ключа 10, блока 11 обработки импульсов и анализатора 12. Измеритель длительности своим входом подключен к выходу фотоприемника (параллельно линии задержки), а выходом к разрешающему входу электронного ключа 10. Блок обработки импульсов одним своим входом подключен к выходу электронного ключа, а вторым - к блоку 13 управления.A deflector 2 (electro-optical or acousto-optical) is installed in the path of the light beam, connected to the control unit 13, a focusing lens 3 and ^{15, an} absorber 4, a suction circuit (not shown) ensures the movement of particles at a speed V perpendicular to the plane of the drawing. The receiving system consists of a lens 5, aperture 6 of the field of view, a photodetector 7, a delay line 8, a pulse width meter 9, an electronic key 10, a pulse processing unit 11 and an analyzer 12. The duration meter is connected to the output of the photodetector (parallel to the delay line), and the output to the enable input of the electronic key 10. The pulse processing unit with one of its inputs is connected to the output of the electronic key, and the second to the control unit 13.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Световой пучок от источника 1 фокусируется объективом 3 в поток исследуемых частиц и сканирует его в плоскости чертежа с частотой £ А > где V - скорость прососа частиц;The light beam from the source 1 is focused by the lens 3 into the flow of the investigated particles and scans it in the plane of the drawing with a frequency £ A> where V is the particle leakage rate;

Л - ширина пучка по уровню, обеспечивающему требуемую однородность освещенности (если необходима неоднородность освещенности 90%, то Л- ширина пучка по уровню 0,9), и некоторой амплитудой сканирования А А , где d - диаметр^ пучка (для для одномодового (Гауссова) пучкаd -23).L is the beam width at a level that provides the required uniformity of illumination (if irregularity of illumination of 90% is required, then L is the beam width at a level of 0.9), and some scanning amplitude A A, where d is the beam diameter ^ (for for single-mode (Gaussian ) beam d -23).

Частицы пролетают через рабочий объем, и от каждой частицы образуется пачка световых импульсов, которые фотоприемником преобразуются в электрические. Длительность этих импульсов 'Р по выбранному уровню, например зависит от координаты пролета частиц.Particles fly through the working volume, and from each particle a packet of light pulses is formed, which are converted into electrical pulses by a photodetector. The duration of these pulses' P at the selected level, for example, depends on the coordinate of the passage of particles.

Импульсы с фотоприемника 7 доступа- _J5ют на линию 8 задержки и параллельно — е*, не измеритель электронный импульсыThe pulses from the photodetector 7 access- _J5 are on the delay line 8 and in parallel - e *, not a meter electronic pulses

940013 6 на измеритель 9 длительности, Если длительность импульсов по выбранному относительному уровню, например меньше величины то выдает сигнал разрешения на ключ 10, который пропускает с линии 8 задержки на блок 11 обработки Далее все происходит, как и в основном изобретении - из прошедших импульсов формируются пачки, выделяются их огибающие (или импульсы с максимальной амплитудой), которые и подвергаются анализу анализатором 12.940013 6 to the duration meter 9, If the pulse duration at the selected relative level, for example, is less than the value, it gives a permission signal to key 10, which passes from the delay line 8 to the processing unit 11 Next, everything happens, as in the main invention - from the transmitted pulses are formed bursts, their envelopes are highlighted (or pulses with a maximum amplitude), which are analyzed by the analyzer 12.

Очевидно, что время задержки 8 должно быть не менее длительности импульса Т_о (с учетом времени измерения длительности) .Obviously, the delay time 8 should be not less than the pulse duration T _about (taking into account the measurement time of the duration).

Необходимо отметить, что измерение длительности по относительному уровню может быть реализовано достаточно просто. Например, импульс поступает на измеритель амплитуды и линию задержки, а после пинии задержки измеряется его длительность по уровню, определяемому сигналом с измерителя амплитуды, (т.е. порог устанавливается для каждого импульса свой, в соответствии с его измеренной амплитудой).It should be noted that measuring duration by relative level can be implemented quite simply. For example, a pulse is fed to an amplitude meter and a delay line, and after the delay line its duration is measured by the level determined by the signal from the amplitude meter (i.e., a threshold is set for each pulse in accordance with its measured amplitude).

Предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешности измерений от неоднородности освещенности на краях сканируемой зоны, что особенно существенно при использовании рабочих объемов с малой относительной амплитудой сканирования, или при заданной погрешности, позволяет уменьшить величину рабочего объема и соответственно, измеряемых без ций.The proposed method allows to reduce the measurement error from the inhomogeneity of illumination at the edges of the scanned area, which is especially important when using working volumes with a small relative scanning amplitude, or for a given error, allows to reduce the value of the working volume and, accordingly, measured without measurements.

повысить верхний предел разбавления конпентра-increase the upper limit of dilution koncentra-

Claims

; The invention relates to a measurement technique, in particular, measurements of size and concentration of suspended particles, and can be used in meteorology, biology, chemical physics, and monitoring of environmental pollution for measuring dimensions and concentration of suspended particles of world size. According to the main author. St. No. 857789, a photoelectric method is known: 1 measuring the size and concentration of suspended particles, which means that the particles under study illuminate and record the scattered light pulses, and the particles are illuminated with light beams scanned in a plane perpendicular to the direction of particle motion, pulses from the scattered light is transformed by photoelectrically into electrical signals, which are formed into bundles, separated by their flexion, by which they are judged on the size and concentration of particles. In this case, it is possible to significantly reduce the errors due to the inhomogeneity of the illumination of the working volume dd, passing the scanning plane within the limits determined by the extreme positions of the maximum intensity of the light beam. At the same time, the edge effects influenced by the areas behind these positions (in the scanning direction), where the beam intensity is deliberately less than the maximum, are eliminated in the known method. In this case, the smaller the ratio of the scanning amplitude to the beam diametr (relative scanning amplitude), the greater the influence of the first effects. As a result, dd working volumes with a small relative amplitude; oh scan, errors due to irregularity of illumination can be quite large. The purpose of this is to reduce the errors of intent. This goal is achieved by the fact that in the method the pulse duration is measured at a selected relative level, and only those pulses are formed in bursts whose duration is not less than the value (.d / VA where (J is the beam diameter at the same level); V is the velocity of the beam relative to the particle. In this case, the circumstance that the pulse duration in a relative level depends only on the coordinate (in the scanning direction) of the particle crossing the scanning plane by particles is used. If the particles fly past the extreme positions If the particles pass inside the extreme positions of the maxima, then the beam intersects them with its part of the larger half (including the whole). Indeed, consider Gauss light beam In this case, the shape of the impulse formed when the whole beam intersects the ipstic is the form of IC) - and, exp} .Where where SG is the radius of the beam (at S level); Ug is the maximum amplitude, depending on the particle size R, the coordinates of the beam intersection in the direction of the particles, the beam intensity, the sensitivity of the receiving system, etc .; V is the velocity of the beam relative to the particle (we assume that scanning occurs at a constant speed, similar to sweep in an oscilloscope, and ofatny move is not learned). We also consider, about I “ST. Obviously, the duration of the impulse is based on the selected relative level. Nacrimer, by level B, does not depend on u (|) -, whence yn Y O (If the beam has a different shape, then TJo | V; where d is the beam diameter at the same level, for example, i / f). If the particles intersect with the whole beam, then the duration of the relative level of all the pulses in a pack (arising from the intersection of the particle by different areas of the beam) is the same. At the same time, the particles intersect with the whole beam (in the scanning plane) if their coordinate in the scanning direction / X / AG, where A is the scan amplitude (the full span of the scan is not 2A) and the origin is selected in the middle portion of the scanned area. If, however, the beam intersects the particles (at each scan cycle) only with its own part, not less than half. Accordingly, in this case the duration of the pulses lies within the limits of -i-To C Co Note that the region / X / A just corresponds to the region inside the outermost ones. peak positions of the light beam. If / X / 7 A, then T sG So so, in that area where there can be significant inhomogeneity of the illumination of the working beam, the duration of each pulse in a pack does not exceed half the duration of the pulses formed when the particle crosses the whole beam, i.e. maximum possible pulse duration at the selected level). It should be noted that when measuring the pulse duration at a given level and using a round-section (stationary) light beam, the pulse duration also depends on the coordinate of their span and the effect of edge effects (the so-called optoelectronic formation of the working volume) can be somewhat eliminated. However, the duration of the pulses depends on the size of the particles, as a result of which, for each particle size, there is its own working volume, which leads to errors in the concentration measurement. Obviously, with a stationary beam, measurement at a relative level gives a constant pulse duration for all coordinates of the flight of particles. In this way, measuring by mark and measuring level can be eliminated from the dependence of the pulse duration on the particle size. But the dependence of this duration on the coordinates of their span is possible only by scanning the light beam. 59 Note that the speed of beam movement is 2A /, T,. where A is the scanning amplitude (the full span is 2A), T is the duration of one scanning cycle, ld If the speed of the particles: R then we can assume that V 2A / T. A diagram of the device for implementing this method is shown in the drawing. The light source is a laser, 1. A deflector 2 (electro-optical or acousto-optical) connected to control unit 13, a focusing lens 3 and an absorber 4 are installed in the path of the light beam. The focusing circuit (not shown) allows particles to move at a speed V perpendicular to the plane drawing. The receiving system consists of a lens 5, a diaphragm 6 of the field of view, a photodetector 7, a delay line 8, a meter 9 of the pulses of the electronic key 10, a pulse processing unit 11 and an analyzer 12, the meter of its input is connected to the output of the photodetector (parallel to the delay line ), and the output to the permit input of electronic 1O. The processing unit pulses one of its input connected to the output of the electronic key, and the second - to the control unit 13. The method is carried out in the following manner. The light beam from the source 1 is focused by the objective 3 into the flow of particles under study and scans it in the plane of the drawing with a frequency where is the speed of the particles; U is the beam width at the level that provides the required uniformity of illumination (if irregularity of 90% illumination is needed, then L is the beam width at the level of 0.9) and some scan amplitude, where d is the beam diameter (for single mode (Gaussian) beam d 2C). The particles fly through the working volume, and from each particle a bundle of light pulses is formed, which the photodetector converts into electrical ones. The duration of these pulses is T at a selected level, for example, C t depends on the coordinate of the span of the particles. The pulses from the photodetector 7 are fed to the delay line 8 and in parallel 5 to the meter 9 duration. If the pulse duration of a relative level, for example, e, is not less than the value, the meter issues a resolution signal to the electronic key 1O, which passes the pulses from the delay line 8 to the processing unit 11. Then everything happens, as in the basic invention, packs are formed from the passed pulses , their enveloping (or maximum amplitude pulses) are distinguished, which are analyzed by analyzer 12. It is obvious that the delay time 8 must not be less than the pulse duration TO (taking into account the measurement time flaxity). It should be noted that the measurement of duration by relative level can be implemented quite simply. For example, the pulse arrives at the amplitude meter and the delay line, and after the delay line its duration is measured by the level determined by the signal from the amplitude meter (t, e, the threshold is set for each pulse, according to its measured amplitude). The proposed method allows to reduce measurement errors due to irregularity of illumination at the edges of the scanned zone, which is especially significant when using working volumes with a small relative amplitude of scanning, or at a given error, allows reducing the size of the working volume and, accordingly, increasing the upper limit of the measured without diluted concentrations. The invention The photoelectric method of measuring the size and concentration of the weighed part of the author. EV, no. 8S7789, characterized in that, with a chain of reduction of measurement errors, the duration of the pulses is measured at a selected relative level, and only those pulses are formed in batches whose duration is not less than i- |, where l is the beam diameter according to the same level-, V- velocity of the beam relative to the particle.

/ 3