Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц

 

Изобретение может быть использовано в электронной и химической промышленности, в гидрометеорологии для контроля запыленности газов и жидкостей. Цель изобретения состоит в повышении надежности и чувствительности устройства за счет упрощения его конструкции и уменьшения световых потерь. Это достигается благодаря определенной форме выполнения фокусирующего зеркала, выбору его параметров и ориентации по отношению к осветителю и фотоприемному устройству. 1 з.п.ф-лы,3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК цд 4 G 01 N 21/53, 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ :»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4296371/24-25 (22) 17.08.87 (46) 23.04.89. Бюл. Р 15 (71) Научно-производственное объединение "Тайфун" (72) С.М. Коломиец (53) 535.36(088.8) (56) Беляев С.П., Смирнов В.В., Никифорова Н.К. и др. Оптико-элект,ронные методы изучения аэрозолей. M.:

Энергоиздат, t981, с. 55.

Авторское свидетельство СССР

9 1179160, кл. G 01 N 15/02, 1985.

Изобретение относится к технике измерения размеров и концентрации взвешенных частиц микронного диапазона размеров и может использоваться в электронной, химической промышленности, гидрометеорологии, для контроля запыленности газов и жидкостей.

Цель изобретения — повышение надежности за счет упрощения конструкции и повышение чувствительности за счет уменьшения световых потерь.

На фиг. 1 представлена блок-схема регистратора; на фиг. 2 — фокусирующее зеркало, вид в плоскости главного сечения; на фиг. 3 — то же, в перпендикулярной ей плоскости, параллельной оптической оси осветителя.

Регистратор содержит осветитель 1, формирующий световой пучок 2, ось ко„„SU„„1474526 А 1 (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР

ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение может быть использовано в электронной и химической промышленности, в гидрометеорологии для контроля запыленности газов и жидкос- тей. Цель изобретения состоит в повышении надежности и чувствительности устройства за счет упрощения его конструкции и уменьшения световых потерь, Это достигается благодаря определенной форме выполнения фокусирующего зеркала, выбору его параметров и ориентации по отношению к осветителю и фотоприемному устройству. 1 з.п. флы, 3 ил.

2 торого проходит через первый фокус

О фокусирующего зеркала 3. Это зер1 кало выполнено в виде участка эллипсоида, образованного вращением вокруг большой полуоси О, О эллипса с большой осью 2А, фокусами О,, О и фокусным расстоянием f . Зеркало 3 установлено так, что его большая ось перпендикулярна оси светового пучка

2. Фокус О, совпадает с точкой пересечения оси пучка 2 и оси узла 4, формирующего с помощью воздуходувки

5-поток исследуемой среды. Зеркало 3 выполнено таким образом, что его угловой размер относительно фокуса О равен 2 у (фиг. 1 и 2) для любого

0 азимутального угла о,, т.е. в любои плоскости, проходящей через ось светового пучка 2. Со стороны, ближайшей

1474526

Рассмотрим ход световых лучей в пределах угла 2(р. в плоскости,проходящей через ось пучка 2 и составляющей с большой осью эллипса некоторый угол Ы (фиг. 1). Если К а(р, +

+ (p, (фиг. 3), то световые лучи после отражения зеркалом 3 и прохода через фокус 0 полностью попадает вновь на зеркало 3 и затем проходят через отверстие б (зеркало 3 имеет максимальный размер в направлении, параллельном оси пучка 2, как раз в том месте, где на него падают лучи, рассеянные под углом М. = cP, + g, ). к фокусу 0,, в зеркале 3 выполнено ототверстие 6, соосное с большой осью эллипса, причем угловой размер отверстия относительно фокуса О также ра5 вен 2Ч . Объектив 7 установлен соосно с большой осью эллипса снаружи зеркала со стороны отверстия и оптически связывает плоскость, в которой расположена диафрагма 8 поля зрения, с плоскостью, проходящей через фокус

0< перпендикулярно большой оси эллипса. 3а диафрагмой 8 поля зрения установлен приемно-анализирующий блок 9, Регистратор работает следующим об-15 разом.

Световой пучок 2 от осветителя 1 проходит через поток исследуемой среды, формируемый узлом 4 с помощью воздуходувки 5. При наличии в потоке 2р ,взвешенных частиц световой пучок частично рассеивается на этих частицах.

Рассеянный свет в пределах определенного телесного угла (близкого к

4Тз1п() фокусирующим зеркалом 3 25 направпяется в отверстие 6. Далее этот свет объективом 7 собирается на диафрагму. 8 поля зрения, которая ограничивает поле зрения в направлении оси пучка 2, Прошедший через диа- 3р фрагму 8 свет попадает на приемноанализирующий блок 9. При этом о размерах частиц судят по амплитудам импульсов рассеянного света, а о концентрации — по средней частоте пов35 торения указанных импульсов.

Рассмотрим подробнее ход световых . лучей в зеркале 3, (фиг. 2). Положим, что взвешенная частица находится в фокусе О, . Поскольку зеркало симмет- 4р рично относительно большой оси, рассмотрим ход лучей только в верхней половине зеркала. В плоскости главного сечения (фиг. 2) световые лучи, вышедшие из фокуса О, (за счет рассеяния на частице) под любым углом, в конце концов обязательно попадут в отверстие 6 непосредственно.

Лучи, рассеянные в пределах угла (,(фиг.,2), отражаются зеркалом 3, проходят фокус О,, вновь отражаются зеркалом 3 (нижней половиной), проходят фокус О 1 и выходят в отверстие

6. Возможное экранирование частицей этих световых лучей может иметь значение лишь для сравнительно крупных

55 частиц (единицы микрометров), находя,щихся строго в фокусе О, зеркала идеальной формы. Но, поскольку частицы движутся через световой пучок, то вероятность их пребывания в фокусе несравненно меньше вероятности их пребывания в окрестности фокуса (диаметр светового пучка в районе фокуса

О много больше максимального разме1 ра частиц). 1(роме того, неизбежные погрешности изготовления зеркала приводят к размытию изображения,т.е, к уменьшению экранирования. Практически это экранирование на измерение не влияет.

Лучи, рассеянные в пределах угла ср, отражаются зеркалом 3, проходят г фокус 0, отражаются зеркалом 3 (нижней половиной), проходят фокус О, в пределах"угла ср, . Далее эти лучи еще после двух отражений от зеркала

3 выходят через отверстие 6, испытав в общей сложности четыре отражения.

Наконец, лучи, рассеянные. в пределах угла <р (фиг. 2), отразившись от зеркала 3 один раз, также проходят отверстие б. При этом выходящий из отверстий 6 пучок имеет вид конуса с вершиной в фокусе О, в то время как выходящий из отверстия 6 пучок, обусловленный рассеянием в пределах угла (g, + Ср, + Cg имеет вид конуса с вершиной в фокусе О

Таким образом, максимальное количество отражений от зеркала равно четырем. Это является следствием соотношения f » a(tg tt, + 1-tg g ), а фиг. 2 соответствует случаю равенства в этом соотношении. Если изменить знак неравенства на противоположный, то максимальное количество отражений может быть равно шести и более. Ясно, что чем меньше количество отражений, тем меньше световые потери в зеркале и тем выше чувствительность измерений..

1474526

Если el ) q, + ц, то световые лучи полностью попадают на зеркало 3 первый раз, но затем, после прохождения фокуса О„, второй раз на зеркало попадает лишь часть лучей, а оставшиеся лучи проходят мимо зеркала. В этом случае лучи распространяются в направлении большой оси от фокуса О„ к фокусу О„; причем в укаэанном направле- 1р нии размер зеркала уменьшается (фиг. 3), что приводит к потере части световых лучей. Потери эти увеличиваются с увеличением о, тем более, что аналогичные потери имеют место и при третьем попадании лучей на зеркало (после прохождения фокуса О, ).

Й предельном случае, при oC = ), из света, рассеянного в пределах плоского угла 2g» через отверстие 6 прой- 2р дет лишь пучок, рассеянный в пределах угла 2(р .

В регистраторах подобного типа наиболее важным является формирование достаточно резких границ поля зрения в направлении оси пучка. В перпендикулярном этой оси направлении так называемый счетный объем регистратора ограничен диаметром светового пучка, т.е. размер диафрагмы поля 3Q зрения в этом направлении существенной роли не играет, и соответствующее размытые границ допустимо сравнительно большое.

В рассматриваемом регистраторе в

Плоскости, проходящей через ось осветителя, световые лучи имеют апертурный угол 2, и границы поля зрения вдоль указанной оси формируются в хоне именно этих лучей. В этом слу- 40 чае размытие границ определяется отступлением формы зеркала от формы фигруры вращения, т,е. отступлением формы любого сечения зеркала в плоскости, перпендикулярной большой оси эллипса, от формы дуги окружности.Такие отступления значительно легче контролировать (и, соответственно, уменьшить до приемлемой величины), чем отступление от формы эллипсоида.

В репендикулярной плоскости (в плоскости главного сечения) апертурный угол рассеянных лучей близок к 2_#_i и хотя выходящие из зеркала 3 лучи имеют в этой плоскости угол раствора

2q,, границы поля зрения в направлении, перпендикулярном оси пучка, будут в значительной степени размыты вследствие неапланатичности фокусов эллипса. Однако размытие в указанной плоскости на погрешности измерений практически не влияет.

Таким образом, в предлагаемом регистраторе значительно ниже требования к точности изготовления и установке оптических элементов, благодаря чему повышается надежность работы регистратора.

Формула из о брет..ния

1. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц, содержащий осветителЬ, оптически связанный через фокусирующее зеркало и диафрагму поля зрения с приемно-анализирующим блоком, а также узел формирования потока исследуемой среды, причем фокусирующее зеркало выполнено в виде части эллипсоида вращения и установлено так, что первый его фокус совпадает с точкой пересечения оптической оси осветителя и оси потока исследуемой среды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет упрощения конструкции, регистратор дополнительно содержит объектив, фокусирующее зеркало установлено так, что большая ось эллипсоида перпендикулярна оптической оси осветителя, и выполнено таким образом, что угловой размер его относительно первого фокуса одинаков в любой плоскости, проходящей через ось осветителя, а в области, ближайшей к первому фокусу, в фокусирующем зеркале выполнено отверстие, соосно большой оси эллипсоида, угловой размер этого отверстия относительно первого фокуса равен угловому размеру зеркала относительно его первого фокуса, объектив установлен между диафрагмой поля зрения -и фоку" сирующим зеркалом на большой оси эллипсоида вращения со стороны отверстия в зеркале, а диафрагма поля эреения установлена в плоскости, оптически сопряженной объективом с плоскостью, проходящей через первый фокус зеркала перпендикулярно большой оси эллипсоида.

2. Регистратор по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет уменьшения световых потерь, в фокусирующем зеркале фокусное расстояние и большая полуось а эллипсоида вращения связаны соотношением

1474526

Е ь а (tgã 1 + 1 — t |, q ), фокусирующем зеркале относительно первого фокуса зеркала. где 2 y — угловой размер отверстия в

Составитель В.: Калечиц

Техред Л.Сердюкова Корректор Н, Король

Редактор Н. Тупица

Заказ 1886/41 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101