Пристрій для визначення часток

Реферат: Пристрій для визначення часток містить корпус із послідовно встановленими на оптичній осі джерелом лазерного випромінювання, кюветою, лінзою Фур'є і системою фіксації дифракційної картини, а також фотодіодом, і блок реєстрації й обробки даних. Додатково пристрій містить акустооптичний елемент, установлений перед кюветою, а як систему фіксації дифракційної картини пристрій містить фотодіодну лінійку, один кінець якої розміщений на оптичній осі. UA 122334 U (12) UA 122334 U UA 122334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області дослідження речовин за допомогою оптичних засобів, зокрема до дослідження рідких та газоподібних середовищ, і може бути використана для визначення розміру дисперсних часток та їх кількості в об'ємі водних розчинів, суспензій, емульсій, аерозолів та пилу у повітрі. Відомий пристрій для визначення фальсифікату рідких продуктів (UА патент 85406, МПК (2009) G01N 33/14, G01N 33/15, G01N 21/100, опубл. 2009.01.26, бюл. № 2) [1]. Пристрій [1] містить послідовно встановлені джерело лазерного випромінювання, кювету, оптично зв'язані з фотоприймачем, підключеним до блока реєстрації й обробки даних (БРОД); перед кюветою і після останньої встановлені ділильні стекла (І, II), оптично з'єднані з фотодіодами, підключеними до БРОД, після кювети перед ділильним склом (II) установлена щілина, а після ділильного скла (II) додатково встановлене сферичне дзеркало й екран, причому екран розташований під кутом до дзеркала. Фотодіоди з'єднані з блоком реєстрації й обробки даних через електронний перетворювач. Пристрій працює в такий спосіб. Досліджували передбачуваний фальсифікат мінеральної води "Архыз" відносно еталону (істинної мінеральної води "Архыз"). Попередньо визначали розмірні спектри і концентрацію часток дисперсної фази істинного розчину. Пробу істинної мінеральної води "Архыз" поміщають у кювету. Включають джерело випромінювання, лазер марки СТБ-1. Промінь лазера послідовно проходить через ділильне скло, кювету з мінеральною водою, щілину, друге ділильне скло; далі, відбиваючись від сферичного дзеркала, попадає на екран і фотографується електронним пристроєм (фотоприймачем). Електронний сигнал від фотоприймача передається на блок реєстрації й обробки даних (БРОД). Одночасно на БРОД надходить електронний сигнал від фотодіодів через електронний перетворювач. Електронний сигнал від фотоприймача перетворюється за допомогою програми в графік розмірного спектра часток дисперсної фази істинного розчину. Одночасно відбувається перетворення за допомогою програми сигналів від фотоприймача і фотодіодів, що враховують спектр розмірів часток. Потім аналогічним чином здійснюється дослідження зразка води на відповідність показників зразка показникам мінеральної води "Архыз". Отримано графік розмірного спектра часток дисперсної фази досліджуваного зразка води. Як випливає з зіставлення цих кривих, графіки розмірних спектрів часток дисперсної фази дійсної мінеральної води "Архыз" і досліджуваної води не збігаються. Це однозначно показує, що досліджувана вода не відповідає за якістю істинній мінеральній воді "Архыз". Як випливає з технічної суті пристрою [1], його реалізація забезпечує одержання кривих розподілу дисперсних часток за їх розмірами, із яких можна визначити тільки частину часток певного розміру, а дані з концентрації і кількості часток даного розміру відсутні. Крім цього слід відмітити громіздкість пристрою, яка обумовлена просторовим розташуванням великої кількості конструктивних елементів, а також високу ціну пристрою. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається, є пристрій для визначення часток (UА, Патент 96787, МПК G01N15/02 (2006/01), G01N21/01 (2006.01) опубл. 12.12.2011, бюл, 23.2011 р.) [2] Пристрій для визначення часток містить корпус, в якому послідовно встановлені джерело лазерного випромінювання (лазер, марка "ИДЛ-650 А" з довжиною хвилі від 610 до 670 нм), діафрагма, ділильне скло (марка КУ), кювета, лінза Фур'є, екран з отвором і фотодіод (1), оптично з'єднаний з фотоприймачем, підключеним до блока реєстрації й обробки даних (БРОД). Ділильне скло оптично з'єднано з фотодіодом (II). Екран виконаний із неорганічного матеріалу, а саме кераміки, яка відбиває випромінювання 82-95 % на довжині хвилі 0,405-0,870 мкм. Діаметр отвору екрана виконується відповідно до сфокусованого діаметра пучка нульового порядку джерела оптичного випромінювача за наступною залежністю Dотв  dn , де dn - діаметр променя. Діаметр променя визначається за формулою: F , мкм dn  k D де k - коефіцієнт якості променя, k  7,8 ;  - довжина хвилі, мкм; F - фокусна відстань оптичного елемента, мм; D - діаметр променя, який надходить на лінзу Фур'є, мм. Кювета конструктивно виконана як непроточна (стандартна спектроскопічна кювета) та як проточна герметична. Проточна кювета являє собою прямокутну ємність, виконану з кварцу марки КУ-1. Проточність кювети забезпечується патрубками вводу та виводу, які розміщені перпендикулярно оптичній осі. Герметичність кювети забезпечується виконанням останньої із металу та обладнанням прозорими вікнами із скла. Пристрій працює таким чином. Пробу зразка поміщають у кювету. Включають лазер марки "ИДЛ-650А". Промінь лазера послідовно проходить через діафрагму, ділильне скло, кювету із 1 UA 122334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зразком, лінзу Фур'є, попадає на екран і фотографується фотоприймачем - телевізійна камера. Електронний сигнал від камери передається на блок реєстрації й обробки даних (БРОД). Частина променя через отвір в екрані потрапляє на фотодіод (І), електричний сигнал з якого надходить на електронний перетворювач. Одночасно на БРОД надходить електронний сигнал з фотодіода (ІІ) через електронний перетворювач. Отримані дані БРОДом обробляються системою програмного забезпечення Кластер-1. На основі аналізу отриманих даних будують графіки розмірних спектрів часток дисперсної фази, яка знаходиться в зразку. Одночасно програма виводить на дисплей розрахунок концентрації часток. Пристрій дозволяє вимірювати розміри і концентрацію часток в досліджуваному середовищі як стаціонарному, так і в динамічному режимі. Динамічність режиму забезпечується використанням кювети проточної. Пристрій забезпечує також вимірювання розмірів та концентрації часток як в рідкому (непроточна кювета), так і в газоподібному середовищі (проточна кювета). При визначенні дисперсних характеристик часток досліджуваного зразка відомим пристроєм [2] досягається точність вимірювання розміру і концентрації часток, що характеризується значенням відносної похибки в межах 2,04-3,28 %, як у водному середовищі, так і газовому середовищі. Наприклад, при визначені розміру і концентрації часток дисперсної фази (мікрочасток сої) у газоподібному середовищі досягається точність вимірювання, яка характеризується відносною похибкою для розміру часток 2,04 %, для їх концентрації 3,28. Як випливає із технічної суті відомого пристрою, робота останнього вимагає ручного керування та контролю калібрових значень пристрою шляхом установки калібрувального еталону та задання його параметрів при кожному вимірюванні. Це призводить до обмеження часу вимірювання показників дисперсних систем із високою точністю. Для визначення ефективності роботи відомого пристрою [2], в залежності від часу вимірювання, нами було проведено визначення розміру і концентрації мікрочасток сої в газоподібному середовищі протягом 8-16 годин. Використовували частинки дрібного помелу (виробництва підприємства ЕСО, ТУ У 13593522.01). Одержані дані показують, що в процесі вимірювання спостерігається збільшення відносної похибки, розмір якої для розміру часток становить 8-10 %, а для концентрації 13-15 %. Це відбувається за рахунок того, що протягом 816 годин потужність лазера змінюється, що призводить до зміни роботи пристрою та, як наслідок, до збільшення відносної похибки вимірювання. Тобто, пристрій при тривалій роботі характеризується відсутністю стабільності вимірювання показників. Дані представлені в табл. 2, приклад 2. Таким чином, основними недоліками відомого пристрою [2] є: - ручне керування та контроль калібрових значень приладу, що суттєво обмежує тривалість вимірювання дисперсних характеристик досліджуваних систем з високою точністю; - зниження точності вимірювання розміру та концентрації дисперсних часток від часу вимірювання, що характеризується нестабільними розмірами відносної похибки вимірювання; - негерметичність корпусу, що обмежує використання пристрою як в газоподібних, так і в рідких середовищах. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити пристрій для вимірювання часток, в якому введення нового оптичного елемента, обладнання джерела лазерного випромінювання модулем стабілізації потужності та нове конструктивне виконання системи фіксації дифракційної картини і геометричність корпусу забезпечить автономну роботу пристрою на відстані, що в свою чергу надасть можливість підвищити точність отримуваних результатів та стабілізувати показники точності незалежно від тривалості роботи пристрою у різних за природою середовищах. Для вирішення поставленої задачі запропонований пристрій для вимірювання часток, що містить корпус із послідовно встановленими на оптичній осі джерелом лазерного випромінювання, кюветою, лінзою Фур'є і системою фіксації дифракційної картини, а також фотодіодом, і блок реєстрації й обробки даних, який, згідно з корисною моделлю, додатково містить акустооптичний елемент, встановлений перед кюветою, а як систему фіксації дифракційної картини пристрій містить фотодіодну лінійку, один кінець якої розміщений на оптичній осі, при цьому як джерело лазерного випромінювання використовують лазер із зворотним зв'язком за потужністю, а корпус пристрою виконано герметичним. Досягнення позитивного результату пов'язано з тим, що завдяки встановленому перед кюветою акустооптичного елемента, який являє собою електронний еталон - здійснюється формування стабільної в часі дифракційної картини. Стабілізація потужності лазерного випромінювання за рахунок зворотного зв'язку дозволяє проводити вимірювання тривалий час без додаткової похибки, пов'язаної з зміною випромінювання. Завдяки можливості дистанційного електронного калібрування в будь-який час, вноситься поправка в результати вимірювання. Відображення дифракційної картини, яке використовується для розрахунків, 2 UA 122334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 повністю розташоване в одній площині фотоприймача, роздільна здатність якого збільшена, як результат точність вимірювання підвищується. Перевагою пристрою, що заявляється, є також зменшення його розмірів та кількості оптичних елементів, підвищення якості конструктивних елементів, герметизація оптико-механічного корпусу. Зазначене вище дозволяє покращити оптичну схему приладу, полегшити процес вимірювання, підвищити відтворюваність та точність одержуваних результатів визначення розмірів часток і їх кількості в об'ємі у досліджуваних рідких і газоподібних продуктах. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлена функціональна схема пристрою для визначення розмірів часток і їх кількості в об'ємі, на фіг. 2, фіг. 3, фіг. 4 надані розмірні спектри часток у досліджуваних зразках (латекс, кераміка, соя відповідно). Пристрій для визначення часток (фіг. 1) розміщений в герметичному корпусі 1 і містить послідовно встановлені джерело лазерного випромінювання - лазер із зворотним зв'язком за потужністю (лазер, марка LD 780 NМ з довжиною хвилі   780 нм) 2, акустооптичний елемент 3 (Справочник по лазерам. под. ред. А.М. Прохорова, т. 2., стр. 222), кювету 4, лінзу Фур'є 5, фотодіодну лінійку 6. Акустооптичний елемент 3 оптично зв'язаний з фотодіодом 7. Пристрій також обладнаний блоком реєстрації і обробки даних (БРОД), розміщеним за межами корпусу 8. Кювета 4 конструктивно виконана як непроточна (стандартна спектроскопічна кювета) та як проточна герметична. Остання виконана із металу та обладнана прозорими вікнами із кварцового скла (КУ-1) і патрубками вводу і виводу. Пристрій працює в такий спосіб. Пробу зразка поміщають у кювету 4. Включають лазер із зворотним зв'язком за потужністю - лазер марки LD 780 NM з довжиною хвилі   780 нм 2. Промінь лазера послідовно проходить через акустооптичний елемент 3, кювету 4 із зразком, лінзу Фур'є 5 і попадає на фотодіодну лінійку 6, один кінець якої установлений на оптичній осі. Електронний сигнал від фотодіодної лінійки 6 передається на блок реєстрації й обробки даних (БРОД) 8. Частина променя від акустооптичного елемента 3 потрапляє на фотодіод 7, електричний сигнал з якого також передається на БРОД 8. Отримані дані БРОДом обробляються системою програмного забезпечення "КЛАСТЕР". На основі аналізу отриманих даних будують графіки розмірних спектрів часток дисперсної фази, яка знаходиться в зразку. Одночасно програма виводить на дисплей розрахунок концентрації часток. Використання непроточної кювети дозволяє вимірювати розміри і концентрацію часток в стаціонарному режимі в різному середовищі, а використання проточної кювети забезпечує вимірювання в динамічному режимі в газоподібному середовищі. Використання корпусу герметичним дозволяє використовувати прилад безпосередньо у різних середовищах (газоподібних, рідких). Це значно розширює функціональні можливості пристрою. Правильність роботи приладу і точність визначення дисперсних характеристик часток пристроєм, що заявляється, здійснювали з використанням зразка із завідомо відомими розмірами і їх кількістю - частки латексу розміром 10 мкм (сертифікат аналізу, номер продукту 72989. MicroParticllbasedonpolystyrenemonodisperse, Fluca) [3]. Правильність роботи приладу характеризується систематичною похибкою, яку визначають згідно з (А.В. Сыроешкин, И.В. Попов, А.В. Балышев и др. Основы применения лазерного малоуглового измерителя дисперсности для стандартизации и контроля качества лекарственных средств. - Хим.-фарм. ж. - 2004. - Т. 38, № 11. - С. 43-48) [4], а також визначення дисперсних характеристик часток характеризується абсолютною похибкою, яку визначають згідно з (Зайдель А.Н. Погрешность измерений физических величин. - Л.: Наука, 1985. - 112 с. (стр. 14-15). 3 Вимірювання проводили в рідкому середовищі в непроточній кюветі. Готували 3 см розчину 3 на дистильованій воді, який містить частки латексу в кількості 265700 шт./см . Приготований розчин поміщали в кювету і здійснювали вимірювання дисперсних характеристик часток латексу. Отримані БРОДом дані обробляли системою програмного забезпечення Кластер-1. На основі аналізу отриманих даних будували графік розмірних спектрів часток латексу, що знаходились у зразку (фіг. 2). Одночасно програма виводила на дисплей розрахунок концентрації часток, що наведено в табл. 1. 3 UA 122334 U Таблиця 1 Правильність роботи Точність визначення дисперсних часток пристрою Систематична похибка, % Введено Знайдено Визначення Визначення Розміри Концентрація Розміри Відносна Концентрація Відносна розміру концентрації латексу, латексу, латексу, похибка латексу, похибка 3 3 часток часток мкм шт./см мкм Sd, % шт./см sd, % 0,7 2,1 10±0,1 265700±100 9,8±0,2 2,0 257250±100 3,0 5 10 15 20 Як випливає з представлених даних, правильність роботи пристрою характеризується систематичною похибкою вимірювання, що складає для розміру - 0,7 %, а для концентрації 2,1 %. Пристрій забезпечує високу точність вимірювання розміру і концентрації часток латексу, яка характеризується відносною похибкою на рівні - 2,0 % для часток, і 3,0 % для їх концентрації. Приклади виконання за корисною моделлю. Приклад 1. Визначення розміру і кількості часток дисперсної фази у рідкому середовищі. Вимірювання здійснювали у стандартній непроточній спектроскопічній кюветі. Як досліджуваний зразок використовували дисперсію порошку гідрофобної - 1 та гідрофільної - 2 кераміки у воді. Досліджуваний зразок поміщали у кювету 4. Вмикали лазер марки LD 780 (   780 нм). Промінь лазера послідовно проходив через акустооптичний елемент 3, кювету 4, лінзу Фур'є 5 і попадав на фотодіодну лінійку 6, електронний сигнал від останньої передавався на БРОД 8. Частина променя від елемента 3 попадала у фотодіод 7, електричний сигнал з якого також надходив на БРОД 8. Отримані дані БРОДом обробляли системою програмного забезпечення Кластер-1. На основі аналізу даних будували графік розмірних спектрів часток кераміки, що знаходились в зразку (фіг. 3). Одночасно програма виводила на дисплей розрахунок концентрації загальної кількості часток і розміри найбільшого по кількості, що наведено в табл. 2. Вимірювання здійснювали протягом 0,17 год. Таблиця 2 № п/п 30 35 40 Розмір часток кераміки, мкм Відносна похибка, % 1 2 25 Вид кераміки гідрофобна гідрофільна 3 5 2,0 2,0 Концентрація часток кераміки, 3 шт./см 25600 32000 Відносна похибка, % 3,0 3,0 Одержані дані табл. 2 і фіг. 3 показують, що заявлений прилад забезпечує високу точність вимірювання розміру часток і їх у концентрацію у рідкому середовищі, що характеризується похибкою вимірювання, яка становить для розміру часток - 2,0 %; для їх концентрації - 3,0 %. Приклад 2. Визначення розміру і кількості часток дисперсної фази у газоподібному середовищі. Вимірювання здійснювали у герметичній проточній кюветі в динамічному режимі. Як досліджуваний зразок використовували частинки мікросої (ТУ У 13593522.001). За допомогою компресора створювали динамічний режим для переносу часток мікросої через кювету 4. Вимірювання здійснювали аналогічно прикладу 1. Для визначення ефективності роботи заявлюваного пристрою були проведені вимірювання дисперсних характеристик часток сої протягом тривалого часу (0,17 год.; 8 год.; 16 год.). Результати вимірювання протягом 0,17 год. представлені на фіг. 4, де надана відносна частина вимірювальних часток кожної розмірної групи. Одержані дані для трьох періодів вимірювання надані в табл. 3 (пр. 1) і свідчать про високу ефективність вимірювання дисперсних характеристик заявлюваним способом: відносна похибка вимірювання розміру часток і їх концентрації протягом різної тривалості часу (0,17; 8; 16 год.) залишається практично постійною, тобто робота пристрою забезпечує стабільність визначуваних показників у часі. Конструктивне виконання елементів пристрою для визначення часток, що заявляється, їх просторове розміщення в герметичному корпусі, із порівнянням із відомим пристроєм [2] забезпечує при визначенні дисперсних характеристик часток як у газоподібних, так і в рідких 4 UA 122334 U 5 середовищах: автономну роботу пристрою на відстані; підвищення точності одержаних результатів; стабілізацію показників протягом тривалого часу роботи пристрою. Так при визначенні розміру часток і їх концентрації протягом 0,17 год.; 8 год. та 16 год. відносна похибка знаходиться в діапазоні 2,0-2,05 % для розміру та 3,0-3,04 % для концентрації. Особливості дистанційного керування дозволяють використовувати прилад в віддалених місцях, що створює нові метрологічні можливості. Герметичний корпус пристрою та передача інформації на відстань дозволяє занурювати його у середовище, де саме потрібно проводити вимірювання. Таблица 3 Час вимірювання, год. 0,17 8,00 16,00 № Розмір Відносна Концентрація Відносна Розмір Відносна Концентрація Відносна Розмір Відносна Концентрація Відносна частинок, похибка, частинок, похибка, частинок, похибка, частинок, похибка. частинок, похибка, частинок. похибка, 3 3 3 мкм % шт./см % мкм % шт./см % мкм % шт./см % Заявлюваний спосіб 1 30-40 2,00 142700 3,00 30-40 2,05 123800 3,02 30-40 2,04 122900 3,04 За способом [2] 2 20-30 2,04 123000 3,28 20-30 3,2 126000 3,0 20-30 10,0 126900 3,2 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Пристрій для визначення часток, що містить корпус із послідовно встановленими на оптичній осі джерелом лазерного випромінювання, кюветою, лінзою Фур'є і системою фіксації дифракційної картини, а також фотодіодом, і блок реєстрації й обробки даних, який відрізняється тим, що додатково містить акустооптичний елемент, установлений перед кюветою, а як систему фіксації дифракційної картини пристрій містить фотодіодну лінійку, один кінець якої розміщений на оптичній осі. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що як джерело лазерного випромінювання використовують лазер із зворотним зв′язком за потужністю. 3. Пристрій за будь-яким з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що корпус виконано герметичним. 5 UA 122334 U 6 UA 122334 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7