способ калибровки оптической измерительной аппаратуры при оценке среднего диаметра дисперсных частиц

Формула изобретения

1. Способ калибровки оптической измерительной аппаратуры для оценки среднего диаметра дисперсных частиц путем одновременного измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, отличающийся тем, что воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему, освещают ее периодическими импульсами света длительностью Т_и 0,1Т_уз (где Т_уз - период ультразвуковых колебаний), синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой и определяют по результатам фоторегистрации средний диаметр дисперсных частиц (d_ср.а и d_ср.ф соответственно), изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют калибровочную характеристику как зависимость величины d_ср.а от d_ср.ф.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют распределения энергии оптических импульсов по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений d_ср.ф, используют полученные распределения в качестве калибровочных уровней, а калибровочную характеристику оформляют в виде базы данных.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для исследования дисперсных систем, и может быть использовано для калибровки фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры частиц, взвешенных в различных дисперсионных средах.

Широко известен способ калибровки измерительных систем путем попеременного ввода в измерительный канал измеряемых и фиксированных эталонных сигналов, автоматического определения в интервалах между эталонными сигналами реальной рабочей преобразовательной характеристики системы по значениям эталонных сигналов путем интерполяции значений измеряемого сигнала в соответствии с опорными эталонными значениями, и дополнительного учета дестабилизирующих факторов [1].

В частности, применительно к фотоэлектрическим устройствам, определяющим размеры и концентрацию дисперсных частиц, известны способы калибровки по известной кривой распределения частиц по размерам в образцовой суспензии [2, 3]. Для этого подготавливают образцовую суспензию с заданной весовой концентрацией частиц [2], или суспензию, содержащую монодисперсные латексные или стеклянные сферические частицы [3]. Затем, используя подготовленные суспензии, проводят измерения калибруемым прибором и вносят необходимые коррективы в его характеристики.

Основной недостаток описанных способов калибровки - трудоемкость и сложность подготовки образцовой суспензии (изготовление микрочастиц, контроль и обеспечение заданных размеров этих частиц, отбор представительной пробы).

Известен, также, способ калибровки фотоэлектрических устройств для измерения размеров дисперсных частиц [3], заключающийся в размещении в зоне регистрации фотоэлектрического устройства частицы заданного размера и приведении ее в возвратно-поступательное движение с заданной частотой, с формированием при этом световых импульсов одинаковой амплитуды и подстройкой чувствительности фотоэлектрического устройства до уровня, при котором количество световых импульсов совпадает с числом пересечений частицей зоны регистрации.

Согласно этому способу в зоне регистрации одновременно не должно находиться более одной частицы, что не подходит для калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики аэрозолей, при которых в зоне регистрации одновременно находится множество частиц (например, метод спектральной прозрачности, метод малоуглового рассеяния). Кроме того, калибровка осуществляется по эталонным частицам, что не снимает проблемы изготовления микрочастиц с заданными размерами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки [4, прототип], при котором измерения выполняются параллельно: калибруемым измерительным устройством и независимым прибором, имеющим точность, достаточную для данной задачи. Например, способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры. В соответствии с этим способом измерения плотности рыбного косяка выполняются одновременно гидроакустической измерительной системой и телевизионной станцией, с последующим определением зависимости гидроакустических характеристик от плотности косяка, определенной визуально.

При калибровке фотоэлектрических устройств, измеряющих размеры дисперсных частиц, описанный способ имеет преимущество, заключающееся в возможности отказа от образцовых суспензий, благодаря независимому измерению характеристик исследуемой дисперсной системы. Недостатком способа является сложность регулирования характеристик дисперсной системы в процессе калибровки.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое техническое решение,. является упрощение калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.

Поставленная цель достигается тем что, в известном способе калибровки путем одновременного измерения характеристик дисперсной системы калибруемой аппаратурой и фоторегистрирующим прибором, с последующим определением зависимости сигнала калибруемой аппаратуры от среднего диаметра частиц, определенного визуально, воздействуют ультразвуком на жидкость, создавая дисперсную систему с изменяющимися размерами частиц, освещают созданную дисперсную систему периодическими импульсами света, имеющими период, равный периоду ультразвуковых колебаний Т_уз, и длительность Т_и 0,1Т_уз,, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, во время импульсов света измеряют калибруемой аппаратурой энергию оптических импульсов, поступающих от дисперсной системы, и фотографируют дисперсную систему, определяют средний диаметр дисперсных частиц (d_ср.a) - по результатам измерений, и (d_ср.ф) - по результатам фоторегистрации, изменяют сдвиг фаз между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощность ультразвука, после чего измерения и фоторегистрацию повторяют до получения требуемого количества калибровочных уровней, определяют преобразовательную характеристику калибруемой аппаратуры как зависимость величины d_ср.a от d_ср.ф .

По второму варианту дополнительно при калибровке регистрируют распределение энергии оптического импульса по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений d _ср.ф, используют это распределение в качестве калибровочного уровня, а калибровочную характеристику оформляют в виде базы данных, устанавливающей соответствие полученных распределений энергии заданным значениям d_ср.ф.

Проанализируем значимость перечисленных операций с точки зрения достижения поставленной цели.

Воздействие ультразвуком на жидкость обеспечивает создание дисперсной системы с регулируемым средним радиусом дисперсных частиц (пузырей), поскольку их диаметр зависит от фазы ультразвуковых колебаний и может регулироваться выбором соответствующей фазы. Эту зависимость иллюстрирует график, приведенный на рисунке 1 [5], где Р - давление, создаваемое ультразвуком, R - радиус пузырька.

Освещение созданной дисперсной системы короткими периодическими импульсами света, синхронизованными с ультразвуковыми колебаниями, обеспечивает выбор требуемого радиуса пузыря. Рассмотрим рисунок 2 [6]. Для получения пузырьков со средним радиусом 150 мкм при интенсивности ультразвука 15 Вт/см² необходимы длительность импульса около 5 мкс и запаздывание импульсов света на t=10 мкс относительно начала координат, то есть относительно момента, когда давление ультразвука равно нулю.

Таким образом, воздействие ультразвуком на жидкость и освещение дисперсной системы периодическими импульсами света, синхронизованными с УЗ колебаниями, обеспечивает возможность выполнения калибровки без эталонных порошков или суспензий, заменяя их дисперсной системой с регулируемым средним размером частиц.

Требование к длительности светового импульса: Т_и 0,1Т_уз, где Т_уз - период ультразвуковых колебаний, обеспечивает снижение неопределенности выбираемого для калибровки размера пузырьков (R_max-R_min ) до приемлемой величины.

Изменение сдвига фаз t (Рисунок 2) между световыми импульсами и ультразвуковыми колебаниями, а также мощности ультразвука, обеспечивает изменение среднего диаметра пузырей и получение количества калибровочных уровней, необходимого для достижения требуемой точности калибровки.

По второму варианту регистрация распределения энергии оптических импульсов по длинам волн или в пространстве для каждого из заданных значений d_ср.ф, использование полученных распределений в качестве калибровочных уровней и оформление калибровочной характеристики в виде базы данных расширяют область применения предполагаемого технического решения на приборы, использующие распределение энергии по длинам волн Е( ) (применяется в методе спектральной прозрачности) или по углам рассеяния Е( ) (применяется в методах подлой индикатрисы и малоуглового рассеяния).

Осуществление способа иллюстрирует рисунок 3. Здесь пунктирные фигуры и линии соответствуют дополнительным операциям второго варианта.

Калибровочную кювету 1 (прозрачный сосуд с жидкостью, например, с водой) размещают в области регистрации калибруемой аппаратуры. В кювете при помощи ультразвукового излучателя 2 создают область кавитации 3.

Область кавитации освещают импульсным источником света 4, синхронизованным с ультразвуковым генератором 5.

Свет, рассеянный областью кавитации, подают на фотоприемники калибруемой аппаратуры 6 и независимого фоторегистратора 7.

Сочетанием периодических колебаний размеров пузырей под действием ультразвука и синхронного освещения кавитационной области создают стробоскопический эффект, обеспечивая достаточную экспозицию для измерения размеров пузырей калибруемым прибором и фоторегистратором при заданной фазе колебаний размеров пузырей.

Регулируя сдвиг фаз между ультразвуковыми колебаниями и моментами срабатывания импульсного источника света, обеспечивают изменение размеров измеряемых пузырей. Затем измерения и фоторегистрацию повторяют, получая требуемое количество калибровочных уровней.

В способе по второму варианту регистрируют распределения энергии оптических импульсов по длинам волн Е( ) для заданных значений d_ср.ф, полученные распределения используют в качестве калибровочных уровней, а калибровочную характеристику (зависимость Е( ) от d_ср.ф) оформляют в виде базы данных.

Таким образом.. действия, перечисленные в описании предполагаемого технического решения, необходимы и достаточны для решения поставленной задачи: упрощения калибровки за счет исключения операций, связанных с использованием эталонных порошков, а также расширение области применения за счет калибровки приборов, реализующих интегральные методы оптики дисперсных систем.

Предполагаемое техническое решение используется в БТИ АлтГТУ при выполнении госбюджетных НИР кафедрами Физики, Информатики и вычислительной математики для отработки оптической установки, измеряющей размер кавитационных пузырей методом спектральной прозрачности и может применяться при отработке промышленных технологий создания дисперсных систем (путем распыления жидкостей), технологий ультразвуковой обработки материалов и изделий, а также при экспериментальных исследованиях переноса излучения в дисперсных системах.

Список литературы, цитируемой при составлении заявки

1. Пат. 2262713 Российская Федерация, МПК G01R 35/00. Способ калибровки измерительных систем / Чекушкин В.В., Булкин В.В.

2. West O.C. Standarts for calibration of automatic particle counteurs / - Hydraulics and Pneumatics, July, 1975.

3. Кирш А.А., Двухименный В.А. Усовершенствование и градуировка струйного фотоэлектрического счетчика аэрозолей импа A3. - Коллоидный журнал, 1975, № 4.

4. Пат. 2006200 Российская Федерация, МПК А01К 79/00. Способ калибровки гидроакустической измерительной аппаратуры при оценке рыбных запасов с помощью телевизионной аппаратуры и устройство для его осуществления; заявитель Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича - № 2006200/С1; заявл. 23.04.1991; опубл. 30.01.1994 (прототип).

5. Brenner M.P., Hilgenfeldt S. and Lohse D. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. - 2002. - V.74. - P.425-483.

6. Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. Межвузовский сборник. Вып.1 ISSN 2223 2656; Бийск. Изд-во АлтГТУ им И.И. Ползунова. 2011. - С.22-26.