WO2009067043A1 - Procédé de mesure des dimensions de particules dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre - Google Patents

Procédé de mesure des dimensions de particules dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre Download PDF

Info

Publication number
WO2009067043A1
WO2009067043A1 PCT/RU2008/000635 RU2008000635W WO2009067043A1 WO 2009067043 A1 WO2009067043 A1 WO 2009067043A1 RU 2008000635 W RU2008000635 W RU 2008000635W WO 2009067043 A1 WO2009067043 A1 WO 2009067043A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
collecting
optical fibers
particle size
scattered light
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000635
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konstantin Vasilievich Kovalenko
Svetlana Vladimirovna Krivokhizha
Leonid Leonidovich Chaikov
Original Assignee
P.N. Lebedev Physical Institute Of The Russian Academy Of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by P.N. Lebedev Physical Institute Of The Russian Academy Of Sciences filed Critical P.N. Lebedev Physical Institute Of The Russian Academy Of Sciences
Publication of WO2009067043A1 publication Critical patent/WO2009067043A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0023—Investigating dispersion of liquids
    • G01N2015/003—Investigating dispersion of liquids in liquids, e.g. emulsion

Definitions

  • the invention relates to the processes of measurement and control of particle size in micro - and nanoemulsions, colloidal solutions and suspended particles in liquids and gases.
  • the invention can be used in chemical technological processes, in particular, in petrochemistry, in the food and medical industry, in medical research, in the production of nanoparticles for the electronic and electrotechnical industry, in monitoring the state of working fluids in mechanical engineering and power engineering, i.e. to control the processes in which colloidal solutions, emulsions and suspensions of solid or liquid particles are produced or used.
  • FIG. 1 shows a conventional optical scheme for measuring particle sizes by optical mixing spectroscopy, where 1 is an argon, He-Ne or semiconductor laser; 2 - polarizers; 3 - lenses or lenses; 5 - cuvette with emulsion; ⁇ is the scattering angle; 4 - aperture stop; 8 - diaphragm in front of the photodetector; 9 - photodetector; 10 - correlator or spectrum analyzer; 6 - homo - or heterodyning beam; 7 - diaphragm.
  • the focused laser beam 1 passes through the polarizer 2, the focusing lens 3, the cuvette 5 with the sample under study, and the radiation scattered at an angle ⁇ is fed to the photodetector 9 by means of an objective 3, which creates an image of the laser beam on the photodetector cathode.
  • a small scattering volume is cut out of the beam by the image of the diaphragm 8 and is limited by the diameter of the laser beam and the image of the diaphragm 8 on the beam.
  • An additional reference laser beam 6, of the same frequency or frequency-shifted, can be introduced into the circuit to provide optical homodyning or heterodyning.
  • the beats of the frequency components of the light create on the square photodetector intensity fluctuations, which are repeated in the detector current and are analyzed by the correlator or spectrum analyzer.
  • the spectrum of light scattered by monodisperse particles has the form of a Lorentzian with half-width ⁇ , and the temporal correlation function of the field of such light is an exponent.
  • the correlator analyzes the photocurrent, repeating not the field, but the intensity of light.
  • the correlation function of the intensity is an exponential with a decay rate of 2G on a “post” incoherent background. In the case of an ideal spatial coherence of the light field, the amplitude of the exponent of the correlation function is equal to the background [1].
  • k s , k L are the wave vectors of the scattered
  • A, 2 * of the incident light ⁇ is the scattering angle
  • K is the Boltzmann constant
  • T is the absolute temperature
  • ⁇ is the shear viscosity
  • D is the diffusion coefficient of the particles.
  • the time correlation function turns out to be the sum of several exponentials, the amplitudes of which are proportional to the square of the intensity of light scattering on particles of the corresponding size.
  • the spectrum in this case turns out to be the sum of Lorentzians.
  • the spectral or correlation analysis of intensity beats requires spatial coherence of the light entering the photodetector, otherwise the intensity beats in different small areas of the photodetector will be out of phase and will compensate each other, while their analysis will be impossible.
  • the conditions of spatial coherence are achieved due to a small source (scattering volume) with an effective diameter d s and the insertion into the optical scheme of a small aperture diaphragm 7 in FIG. 1 with a diameter d a .
  • the condition for the presence of spatial coherence is expressed by the formula [I]: where L is the distance between the source and the aperture stop.
  • nano- and especially microemulsions used in industry turn out to be almost opaque due to strong light scattering, and measuring the size of particles in them requires placing the sample in a special thin ( ⁇ 5 ⁇ 100 ⁇ m) flat cell, which completely crosses out the possibility of practical measurements in real time and operational control of the process.
  • the prototype of the present invention is a method of measuring the size of particles in a liquid by optical mixing spectroscopy using optical fibers in the presence of multiple light scattering and a device that implements it, described in the patent [14].
  • This method consists in introducing the radiation of a source with low coherence into the investigated volume and outputting the scattered light through the same single-mode fiber and using a “capper” (devices for converging beams into one fiber and splitting radiation from one fiber by several) the source light is added to the diffuse light for its further heterodyning. It is believed that the conditions of spatial coherence are satisfied by the use of single-mode optical fibers. Multiple scattering must be suppressed by using a light source with a small coherence length. Due to this, it is assumed using heterodyning to obtain the correlation function of light scattered only in a small volume.
  • a method for measuring the size of particles in a liquid by optical mixing spectroscopy of light scattered by particles, which consists in the fact that the illumination of the scattering volume by a laser and the collection of scattered light are performed by fibers.
  • the collection of scattered light is carried out by the main and auxiliary multimode light guides arranged parallel to the illuminating multimode light guide. Ensuring the spatial coherence of the scattered light is produced at the output ends of the collecting light guides, in front of the photo detector.
  • the determination of the particle size g is produced from the ratio: where r ⁇ ⁇ , r crizc are the radii of particles obtained with the help of the main and auxiliary collecting multimode light guides, respectively; A and B are the parameters of the universal dependence of the normalized particle radius r oc ⁇ , lr on the ratio rjr ⁇ u ⁇ .
  • a device is proposed containing optical fibers made in the form of a probe, a laser coupled with an input end of an illuminating light guide, and a photo detector located at the output end of a collecting light guide. Additionally, one or several collecting multimode light guides are introduced into the probe, which are located parallel to the illuminating light guide.
  • the main collecting light guide is located in the immediate vicinity of the illuminating light guide, while the rest of the collecting light guide fibers are located at some distance from the lighting light guide.
  • the ends of all optical fibers are jointly polished and form the input end of the probe.
  • Between the output ends of the collecting light guides and Photo detector is a system for selecting the area of coherence of scattered light. Description of the preferred option implementation
  • Figure 2 presents the scheme of the device for the implementation of the proposed method.
  • L is the distance from the output end of the optical fibers to the aperture diaphragm; 7 - aperture stop; 3 - lens or lens; 15 - cathode diaphragm; 9 - photodetector; 10 - correlator or spectrum analyzer; 19 is a system for choosing the coherence area.
  • the implementation of the proposed method is illustrated by the following device.
  • the output end of the light guide is embedded into one thin cylindrical or other conveniently shaped probe 14 with the input end of the collecting multimode light guide 12.
  • the sealing is done so that the light guides 1 1 and 12 are parallel, placed in close proximity to each other and touch each other with side surfaces.
  • the working surfaces of the light guides are polished together.
  • the resulting block of three light guides, made in the form of a probe 14, is placed in volume 5 with the test suspension (colloidal solution, emulsion, etc.).
  • the light coming out of the optical fiber 1 1 illuminates the volume of the studied medium, having a cone shape with a solution angle a ⁇ 15 ° for a conventional fiber with a core diameter of ⁇ 100 ⁇ m.
  • the light scattered by particles back enters the collecting light guide 12 and is directed to a quadratic photodetector 9 mounted with the output ends of the light guides 12 and 13, the lens 3 and the apertures 7, 15 to the matching unit collecting the light guide is a photodetector 18.
  • the system for selecting the area of coherence 19 consists of 3 - a lens and 7 - a diaphragm.
  • optical diffusion light spectroscopy method determines the width G of the spectral scattering line and, using it, (1) determines the particle radius g.
  • the scattering volume is determined by the intersection of the volume and field of view of the second fiber illuminated by the first fiber and reaches 0.7-10 ⁇ 2 cm, which immediately removes the problem of non-Gaussian scattering statistics on dust by increasing the scattering volume, thus solving the problem of protection against the influence of dust.
  • the role of the light source is played by the end of the optical fiber 12 (usually with a diameter d s ⁇ 100 ⁇ m).
  • an additional aperture 15 is installed, the size of which should not be less than the image of the fiber end on cathode photo detector.
  • the correlator captures the correlation function of multiple scattered light, and not single scattering, for which relations (1) are true .
  • the end of one or several auxiliary optical fibers is placed parallel to them at some distance from the illuminating and collecting light guides (usually 0.5 ⁇ 4.5 mm). (fir.2).
  • the ends of the light guides are polished in the same plane together.
  • the output ends of the optical fibers 12, 13, and more, in the interface unit of the light guide - photodetector are mounted in a coupling with transverse movement (16 in figure 2), to create the possibility of measuring light in any of these light guides.
  • the use of the diaphragm 15 before the cathode of the photodetector in this case is necessary, since it is necessary to measure the light coming out of the collecting and auxiliary light guides in turn.
  • the ratio between the widths of single and multiple scattering lines is determined by the ratio of the widths and intensities of spectral lines in the collecting / "", T oa, and auxiliary fibers I Bc, Bc T and the result obtained from the formulas (1), the corresponding coefficient is introduced.
  • the distance between the centers of the optical fibers 1 1 and 12 is 0.27 mm, and between the centers of the optical fibers 1 1 and 13 is 1.1 mm.
  • Fig. 3 shows the universal dependence of the normalized particle radius T 001 Jr on the ratio rjr oa ⁇ .
  • the light guide probe can be placed in a tank of any size, pipeline, etc., where it is necessary to measure the particle size. No adjustment of the optical system associated with the sample is required, and the system for sampling the area of coherence can be adjusted and fixed before the device is used. Measurements can be carried out both in transparent and very turbid media, such as milk or 5-10% colloidal solution of emulsol (coolant, coolant). In this case correlation function is not single and multiple scattering of light, wherein the coherence time associated with the T m T coefficient determined relative intensities, and line widths in collecting and auxiliary fibers (fibers 12 and 13 in Figure 2).
  • the proposed method has increased resistance to the presence of dust in the sample due to the choice of a large area of coherence.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к процессам измерения и контроля размеров частиц в микро- и наноэмульсиях, коллоидных растворах и взвесях частиц в жидкостях и газах. Изобретение может быть использовано в химических технологических процессах, в частности, в нефтехимии, в пищевой и медицинской промышленности, в медицинских исследованиях, в производстве наночастиц для электронной и электротехнической промышленности, в контроле состояния рабочих жидкостей в машиностроении и энергетике, т.е. для контроля процессов, в которых производятся или используются коллоидные растворы, эмульсии и взвеси твердых или жидких частиц. Уровень техники
Метод измерения размеров частиц по спектру рассеянного света с помощью спектроскопии оптического смешения [1] в настоящее время используется как за рубежом, так и в России [2]. На фиг.l изображена традиционная оптическая схема измерений размеров частиц методами спектроскопии оптического смешения, где 1 - аргоновый, He-Ne или полупроводниковый лазер; 2 - поляризаторы; 3 - объективы или линзы; 5 - кювета с эмульсией; θ - угол рассеяния; 4 - апертурная диафрагма; 8 - диафрагма перед фотоприемником; 9 - фотоприемник; 10 - коррелятор или спектроанализатор; 6 - гомо- или гетеродинирующий пучок, 7 - диафрагма.
Сфокусированный луч лазера 1 проходит через поляризатор 2, фокусирующую линзу 3, кювету 5 с исследуемым образцом, а излучение, рассеянное под углом θ, подается на фотоприемник 9 с помощью объектива 3, создающего на катоде фотоприемника изображение луча лазера в кювете. Малый объем рассеяния вырезается из луча изображением диафрагмы 8 и ограничивается диаметром лазерного луча и изображением диафрагмы 8 на луче. В схему может вводиться дополнительный опорный лазерный луч 6, той же частоты или сдвинутый по частоте, обеспечивающий оптическое гомодинирование или гетеродинирование.
Биения частотных компонент света создают на квадратичном фотодетекторе флуктуации интенсивности, которые повторяются в токе детектора и анализируются коррелятором или спектроанализатором. Спектр света, рассеянного монодисперсными частицами, имеет форму Лоренциана с полушириной Г, а временная корреляционная функция поля такого света есть экспонента. Коррелятор анализирует фототок, повторяющий не поле, а интенсивность света. Корреляционная функция интенсивности представляет собой экспоненту со скоростью затухания 2Г на «пoдлoжкe» некогерентного фона. В случае идеальной пространственной когерентности поля света амплитуда экспоненты корреляционной функции равна фону [1]. С помощью спектроанализатора или коррелятора определяется ширина Г спектральной линии рассеяния или время когерентности корреляционной функции τc = \/Г и, по ней, радиус частиц г
• = ~2 n _ KT , KT 4тm θ
Здесь q - вектор рассеяния qs = ks ~kL , ks , kL - волновые вектора рассеянного и
Аπп . θ падающего света, q = — — siп— , и - показатель преломления среды, λ - длина волны
А, 2* падающего света, θ — угол рассеяния, К - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, η - сдвиговая вязкость, D - коэффициент диффузии частиц. В случае, когда взвесь или эмульсия включают частицы нескольких размеров, временная корреляционная функция оказывается суммой нескольких экспонент, амплитуды которых пропорциональны квадрату интенсивности рассеяния света на частицах соответствующего размера. Спектр в этом случае оказывается суммой лоренцианов. Крайне важно, что для проведения спектрального или корреляционного анализа биений интенсивности требуется пространственная когерентность попадающего на фотодетектор света, иначе биения интенсивности на различных малых участках фотодетектора будут не синфазны и компенсируют друг друга, при этом их анализ окажется невозможен. В традиционной схеме условия пространственной когерентности достигаются за счет малого источника (объема рассеяния) с эффективным диаметром ds и введения в оптическую схему малой апертурной диафрагмы 7 на фиг.l диаметром da. Для источника и диафрагмы круглой формы условие наличия пространственной когерентности (или, как принято говорить, выбор одной площади когерентности) выражается формулой [I]:
Figure imgf000003_0001
где L - расстояние между источником и апертурной диафрагмой.
Недостатки традиционной схемы измерения размеров частиц, препятствующие практическому использованию в промышленности, это необходимость помещать образец в специальную оптическую кювету и наличие пыли и крупных агрегатных образований как в сырье, так и в продукции. Первая из этих проблем была частично разрешена в Великобритании (только для трубопроводов!) за счет создания относительно сложного обводного трубопровода, включающего в себя подобие оптической кюветы [3]. С пылью дело обстоит еще хуже.
Во-первых, крупная пыль рассеивает свет сильнее, чем интересующие нас мелкие частицы коллоидов. Только за счет большой концентрации измеряемых частиц измерения становятся возможны, однако искажения все равно присутствуют. Борьба с этим эффектом возможна за счет сложной математической обработки корреляционных функций и разделения получаемых в них экспонент методами регуляризации по Тихонову. Однако возникновением дополнительного рассеяния влияние пыли на результат измерений не ограничивается. В традиционной оптической схеме рассеивающий объем образуется пересечением возбуждающего лазерного пучка (ø ~ 0,2 мм) и поля зрения фотоумножителя (ø ~ 0,2 мм при ds = da) и оказывается порядка Vsc - 0,8 - 10 5 см.
При таком малом объеме рассеяния в нем оказывается то несколько пылинок, то ни одной. Из-за этого, во-первых, флуктуации интенсивности света, рассеянного на пыли, имеют негауссову статистику, и из полученной функции корреляции (или спектра) не удается вышеупомянутыми методами получить распределение по размерам всех частиц, включая и пылевые. Во-вторых, что еще более существенно, при такой статистике рассеяния света на пылинках изменяется фоновая постоянная составляющая получаемой корреляционной функции, разложение по экспонентам монотонно убывающей части функции становится неадекватным, и получаемые результаты могут вообще не иметь отношения к размерам практически важных частиц, а характеризовать лишь размеры пылинок и соотношение их концентрации с объемом рассеяния.
И наконец, во многих случаях нано- и особенно микроэмульсии, используемые в промышленности, оказываются практически непрозрачными из-за сильного светорассеяния, и измерение размеров частиц в них требует помещения образца в специальную тонкую (~5÷100 мкм) плоскую кювету, что полностью перечеркивает возможность практических измерений в реальном времени и оперативного контроля процесса.
Известны способы использования световодов в спектроскопии рассеяния света в виде щупов, помещавшиеся непосредственно в исследуемую среду [4,5]. Однако эти устройства не обеспечивали измерения корреляционных функций рассеянного света, так как сам по себе световод не обеспечивает условий пространственной когерентности. Именно это обстоятельство приводило к неудачам при первых попытках использования световодов для исследования узких спектральных линий рассеянного света и измерения с их помощью размеров частиц. Модернизация традиционной оптической схемы с применением световодов сводилась вначале к использование обычной оптической системы, световод лишь передавал возбуждающий свет от лазера в кювету и/или от апертурной диафрагмы к фотодетектору [6,7]. Затем появились световодные «пpoбники» (подобие щупа), предполагающие наличие линзы между «пpoбникoм» и рассеивающим объемом [8,9] или интегральную оптику на конце световодов [10,11] или и то, и другое [12]. В [1 1] неявно предполагается, что условия пространственной когерентности должны быть обеспечены применением одномодовых световодов. В [10] условия пространственной когерентности достигаются за счет пересечения пучка света и поля зрения малого диаметра. В [12] этот вопрос не обсуждается. В устройстве [13], предназначенном для измерений в мутных средах, предполагается ввод излучения в исследуемый объем и вывод рассеянного света через один и тот же одномодовый световод и применение «кayплepa», т.е. устройства для сведения пучков в один световод и развода излучения из одного световода по нескольким. Подавления многократного рассеяния должно в [13] обеспечиваться за счет применения источника света с малой длиной когерентности.
Прототипом настоящего изобретения является способ измерения размеров частиц в жидкости методом спектроскопии оптического смешения с помощью световодов в присутствии многократного рассеяния света и устройство его реализующее, описанное в патенте [14]. Этот способ состоит во вводе излучения источника с малой когерентностью в исследуемый объем и выводе рассеянного света через один и тот же одномодовый световод и применении «кayплepa», (устройства для сведения пучков в один световод и развода излучения из одного световода по нескольким), в котором происходит добавление света источника к рассеянному свету для его дальнейшего гетеродинирования. Считается, что условия пространственной когерентности выполняются за счет применения одномодовых световодов. Многократное рассеяние должно подавляться за счет применения источника света с малой длиной когерентности. За счет этого предполагается с помощью гетеродинирования получить корреляционную функцию света, рассеянного лишь в малом объеме.
Недостатки прототипа: за счет того, что используется малый объем когерентности, свет, попадающий на фотодетектор из остального объема поля зрения световода, хотя и не даст искаженной многократным рассеянием функции корреляции, но даст огромный некогерентный фон. При этом, во-первых, корреляционная функция будет иметь крайне малую амплитуду по сравнению с фоном (и значит, малую точность), а во-вторых, из-за малости эффективного объема когерентного рассеяния при наличии пылинок фон корреляционной функции будет искажен из-за их негауссовой статистики, что приведет к ошибкам при обработке полученной корреляционной функции, а это не позволяет измерять радиусы частиц в мутных средах. Кроме того, обязательное применение одномодовых световодов приводит к сложной юстировке системы и к ее чувствительности к механическим возмущениям. Задачи, решаемые изобретением:
- расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерений в мутных средах, в которых присутствует многократное рассеяние света;
- повышение точности, достоверности и помехозащищенности (от пыли) измерений размеров частиц в микро- и наноэмульсиях, коллоидных растворах и взвесях частиц в жидкостях в реальных промышленных условиях, без помещения образца в специальную кювету, без специальной юстировки;
- обеспечение устойчивости к механическим возмущениям. Сущность изобретения
Для решения поставленной задачи предложен способ измерения размеров частиц в жидкости методом спектроскопии оптического смешения рассеянного частицами света, заключающийся в том, что освещение рассеивающего объема лазером и сбор рассеянного света осуществляют световодами. Сбор рассеянного света осуществляют основным и вспомогательными многомодовыми световодами, расположенными параллельно освещающему многомодовому световоду. Обеспечение пространственной когерентности рассеянного света производят на выходных концах собирающих световодов, перед фотодетектором. Определение размера частиц г производят из соотношения:
Figure imgf000006_0001
где r∞п , rвc - радиусы частиц, полученные с помощью основного и вспомогательного собирающих многомодовых световодов соответственно; А и В — параметры универсальной зависимости нормированного радиуса частиц rocι,lr от отношения rjrпuι. Для реализации способа предложено устройство, содержащее световоды, выполненные в виде щупа, лазер, сопряженный с входным концом освещающего световода, и фотодетектор, расположенный на выходном конце собирающего световода. Дополнительно в щуп введены один или несколько собирающих многомодовых световодов, которые расположены параллельно освещающему световоду. Основной собирающий световод расположен в непосредственной близости от освещающего световода, а остальные собирающие световоды находятся на некотором расстоянии от освещающего световода. Торцы всех световодов совместно отполированы и составляют входной конец щупа. Между выходными концами собирающих световодов и фотодетектором расположена система выбора площади когерентности рассеянного света. Описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.2 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа. 1 - лазер; 17 - блок сопряжения лазер - световод; 1 1 - освещающий световод; 14 - световодный щуп; 5 - емкость с исследуемой взвесью или эмульсией: 12 - основной собирающий световод; 13 - вспомогательный собирающий световод; 18 - блок сопряжения собирающий световод - фотоприемник; 16 - смещающаяся муфта; L - расстояние от выходного конца световодов до апертурной диафрагмы; 7 - апертурная диафрагма; 3 — объектив или линза; 15 - катодная диафрагма; 9 - фотоприемник; 10 - коррелятор или спектроанализатор; 19 - система выбора площади когерентности.
Осуществление предложенного способа иллюстрируется следующим устройством. Выходной конец световода заделывается в один тонкий цилиндрический или другой удобной формы щуп 14 с входным концом собирающего многомодового световода 12. Заделка производится так, чтобы световоды 1 1 и 12 были параллельны, помещались в непосредственной близости друг от друга и касались друг друга боковыми поверхностями. Рабочие поверхности световодов полируются вместе. Полученный блок из трех световодов, выполненный в форме щупа 14, помещается в объем 5 с исследуемой взвесью (коллоидным раствором, эмульсией и т.п.). Свет, выходящий из световода 1 1 , освещает объем изучаемой среды, имеющий форму конуса с углом раствора а ~ 15° для обычного световода с диаметром сердечника ~ 100 мкм. Свет, рассеянный частицами назад (точнее, под углом рассеяния 0 = 178 - 180°) попадает в собирающий световод 12 и направляется на квадратичный фотодетектор 9, смонтированный с выходными концами световодов 12 и 13, линзой 3 и диафрагмами 7, 15 в блок сопряжения собирающий световод - фотоприемник 18. Система выбора площади когерентности 19 состоит из 3 - линзы и 7 - диафрагмы.
Далее методом спектроскопии оптического смешения рассеянного света определяется ширина Г спектральной линии рассеяния и по ней, с помощью (1), определяется радиус частиц г. При этом объем рассеяния определяется пересечением освещенного первым световодом объема и поля зрения второго световода и достигает 0,7- 10~2 см , что сразу снимает проблему негауссовой статистики рассеяния на пыли за счет увеличения объема рассеяния, таким образом решается задача защиты от влияния пыли.
Роль источника света играет торец световода 12 (обычно с диаметром ds ~ 100 мкм). Для уменьшения засветки на катод фотодетектора устанавливается дополнительная диафрагма 15, размер которой не должен быть меньше изображения торца световода на катоде фотодетектора. Диаметр апертурной диафрагмы определяется соотношением (2) для получения одной площади когерентности. Практически для получения степени когерентности 30% (отношение амплитуды корреляционной функции к фону 0,30) достаточно использовать апертурную диафрагму - 7, с da = 0,9 мм при L = 10 см. Измеренные таким образом в пробирке и традиционным методом в квадратной кварцевой кювете размеры частиц разбавленного раствора латекса совпадают в пределах ошибок (1,5%) между собой и с паспортным значением радиуса латексных сфер 100 ± 2 нм.
В случаях, когда измерения с помощью предлагаемого устройства проводятся в очень мутных средах, типа молока или эмульсии эмульсола ЭMУ-1 (смазочно- охлаждающая жидкость), коррелятор фиксирует корреляционную функцию многократно рассеянного света, а не однократного рассеяния, для которого верны соотношения (1). Корреляционная функция в этом случае имеет форму, близкую к экспоненциальной, но ее ширина может отличаться от ширины корреляционной функции однократно рассеянного света в несколько раз. Это отличие зависит от длины пробега фотона в среде / или коэффициента экстинкции σ (σ = Ml). σ и / однозначно связаны с коэффициентом рассеяния Л и с кратностью рассеяния.
Для получения информации о величинах σ и / и о соотношении между ширинами линий однократного и многократного рассеяния в конец щупа на некотором расстоянии от освещающего и собирающего световодов (обычно 0,5 ÷ 4,5 мм) параллельно им помещен конец одного или нескольких вспомогательных световодов 13 (фиr.2). Концы световодов полируются в одной плоскости совместно. Выходные концы световодов 12, 13, и более, в блоке сопряжения световод - фотоприемник крепятся в муфту с поперечным перемещением (16 на фиг.2), чтобы создать возможность измерений света в любом из этих световодов. Применение диафрагмы 15 перед катодом фотоприемника в этом случае обязательно, так как необходимо поочередно проводить измерения света, выходящего из собирающего и вспомогательного световодов. Соотношение между ширинами линий однократного и многократного рассеяния определяется по соотношению интенсивностей и ширин спектральных линий в собирающем /„„, , Гoa, и вспомогательных световодах Iвc , Гвc и в результат, полученный из формул (1), вводится соответствующий коэффициент. Расстояние между центрами световодов 1 1 и 12 - 0,27 мм, а между центрами световодов 1 1 и 13 - 1,1 мм.
На фиг.З приведена универсальная зависимость нормированного радиуса частиц T001Jr от отношения rjroaι. Эмульсии ш - ЭMУ-1, разведен при 10%, г = 1 18,4 нм; T - Тафол, разведен при 5%, г = 83,38 нм, А - латекс, r = 103,6 нм; • - ЭMУ-1, концентрация 5,5%, г = 1 18,3 нм. Большая круглая точка справа вверху соответствует ситуации бесконечного разбавления и отсутствия многократного рассеяния, когда rвc = roaι = г.
Такая зависимость универсальна для частиц различного радиуса и состоящих из различного материала, но изменяется при изменении расстояний между освещающим, собирающим и вспомогательными световодами, поэтому для каждого щупа должна сниматься отдельно. Параметры зависимости А и В определяются по измеренным данным аппроксимацией по следующей формуле:
r rocн
Для использованного нами щупа А = 0,971 ± 0,019, В = 0,029 ± 0,019. Таким образом, изготовив световодный щуп как указано в настоящем описании и сняв для него универсальную зависимость отношения rжн/r от отношения rβjroaι мы получаем возможность определять истинный размер частиц г по измеренным величинам rβc и roa, в собирающем и вспомогательном световодах как в прозрачных, так и в мутных эмульсиях и взвесях по следующей формуле: тar. В i r = ^ rocн A + — осн y Предлагаемый метод измерений позволяет: обходиться без специальных оптических кювет. Световодный щуп может быть помещен в емкость любого размера, трубопровод и т.д., где необходимо измерять размер частиц. Не требуется юстировки оптической системы, связанной с образцом, а система выборки площади когерентности может быть отъюстирована и зафиксирована до начала эксплуатации устройства. Измерения могут проводиться как в прозрачных, так и в очень мутных средах, таких как молоко или 5 - 10% коллоидный раствор эмульсола (смазочно-охлаждающая жидкость, СОЖ). В этом случае фиксируется корреляционная функция не однократного, а многократного рассеяния света, время когерентности которой Гm связано с Г коэффициентом, определяемым по отношению ширин линий и интенсивностей в собирающем и вспомогательном световодах (световоды 12 и 13 на фиг.2).
Предлагаемый метод обладает повышенной устойчивостью к наличию пыли в образце за счет выбора большой площади когерентности. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Рhоtоп соrтеlаtiоп апd light bеаtiпg sресtгоsсору. Ed. bу Н.Z. Сummiпs, Е.R. Рikе, Рlепum Рrеss, Nеw Yогk - Lопdоп, 1974. Перевод: Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. Под ред. Г. Камминса и Э. Пайка. «Mиp», Москва, 1978.
2. Коваленко K.B., Кривохижа СВ., Ракаева Г.B., Чайков Л.Л. Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления. Патент РФ N° 2306970 от 21.12.2006.
3. Маlсоlmsоп A.P., Ноlvе DJ. In - line раrtiсlе sizе mеаsurеmепts fог сеmепt апd оthеr аbrаsivе рrосеss епvirопmепts. Рrос. оf IЕЕЕ/РСА 40* Сеmепt Iпdustrу Тесhпiсаl Сопfеrепсе, Rарid Сitу, Sоuth Dакоtа, 1998. (Прилагается). 4. О'Rоurке P.E., Liviпgstоп R.R. Fibеr орtiс рrоbе hаviпg fibеrs with епdfасеs fогmеd fог imргоvеd соuрliпg еffiсiепсу апd mеthоd usiпg sаmе. US Раtепt No 5,402,508 Маг. 28, 1995.
5. Dаi Sh., Yоuпg J.Р. Fibеrорtiс рrоbе апd sуstеmfоr sресtrаl mеаsurеmепts. US Раtепt No 5,822,072 Осt. 13, 1998. 6. Вrоuп R.G.W. Dупаmiс light sсаttеriпg арраrаtus. US Раtепt No 4,975,237 Dес. 4,
1990.
7. Сhu В., Dhаdwаl Н.S. Light sсаttеriпg апd sресtrоsсорiс dеtесtоr. US Раtепt No 4,983,040 Jап. 8, 1991.
8. Апsаri R.R., Suh К.I. Fibеr-орtiс imаgiпg рrоbе. US Раtепt No 5,973,779 Осt. 26. 1999.
9. Меуеr W.V., Саппеl D.S., Smаrt А.Е. Dупаmiс light sсаttеriпg hоmоdупе рrоbе. US Раtепt No 6,469,787 Bl Осt. 22, 2002.
10. Dhаdwаl Н.S. Mеthоd апd арраrаtus fог dеtеrmiпiпg thе рhуsiсаl рrореrtiеs оf mаtеriаls usiпg dупаmiс light sсаttеriпg tесhпiquеs. US Раtепt No 5,155,549 Осt. 13, 1992. 1 1. Dhаdwаl Н.S. Mеthоd апd арраrаtus fог submiсrоsсорiс раrtiсlе siziпg, апd рrоbе thеrеfоrе. US Раtепt No 5,815,61 1 Sер. 29, 1998.
12. Кеil uпd Коllеgеп. Fаsеrdеtеktоr zur Dеtеktiоп dеs Strеuliсhtеs оdеr dеs Fluоrеszепzliсhtеs еiпеr flussigеп Susрепsiоп. Gеrmапу Раtепt No DE 1972521 1 Cl Juпi 4, 1998. 13. Iwаi Т., Ishii К. Dупаmiс light sсаttеriпg mеаsurеmепt арраrаtus usiпg рhаsе mоdulаtiоп iпtеrfеrепсе mеthоd. US Раtепt No US 7,236,250 B2 Juп. 26, 2007.
14. Dоgаriu А., Рореsсu G., Rаjаgораlап R. Мiсrоrhеоlоgу mеthоds апd sуstеms usiпg lоw- соhеrепсе dупаmiс light sсаttеriпg. US Раtепt No US 6,958,816 Bl Осt. 25, 2005.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ измерения размеров частиц в жидкости, включающий освещение рассеивающего объема лазером и сбор рассеянного света световодами, с последующей регистрацией рассеянного света фотодетектором, и определение размеров частиц методом спектроскопии оптического смешения рассеянного света, отличающийся тем, что сбор рассеянного света осуществляют основным и вспомогательными, многомодовыми световодами, расположенными параллельно освещающему мноrомодовому световоду, обеспечение пространственной когерентности рассеянного света производят на выходных концах собирающих световодов, перед фотодетектором, а определение размера частиц г производят из соотношения:
Figure imgf000011_0001
где roc,ι , rвc - радиусы частиц, полученные с помощью основного и вспомогательного собирающих многомодовых световодов соответственно; A n B - параметры универсальной зависимости нормированного радиуса частиц rжн/r от отношения rвjrocн.
2. Устройство для измерения размеров частиц в жидкости, содержащее световоды, выполненные в виде щупа, лазер, сопряженный с входным концом освещающего световода, и фотодетектор, расположенный на выходном конце собирающего световода, отличающееся тем, что в него дополнительно введены один или несколько вспомогательных собирающих световодов, все световоды выполнены многомодовыми и расположены параллельно освещающему световоду, причем основной собирающий световод расположен в непосредственной близости от освещающего световода, а остальные собирающие световоды находятся на некотором расстоянии от освещающего световода, торцы всех световодов совместно отполированы и составляют входной конец щупа, между выходными концами собирающих световодов и фотодетектором расположена система выбора площади когерентности рассеянного света.
PCT/RU2008/000635 2007-11-20 2008-10-03 Procédé de mesure des dimensions de particules dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre WO2009067043A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007142525/28A RU2351912C1 (ru) 2007-11-20 2007-11-20 Способ измерения размеров частиц в жидкости и устройство для его осуществления
RU2007142525 2007-11-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009067043A1 true WO2009067043A1 (fr) 2009-05-28

Family

ID=40667716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000635 WO2009067043A1 (fr) 2007-11-20 2008-10-03 Procédé de mesure des dimensions de particules dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7982874B2 (ru)
RU (1) RU2351912C1 (ru)
WO (1) WO2009067043A1 (ru)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8441636B2 (en) 2010-11-01 2013-05-14 Empire Technology Development Llc Nanoparticle detector
RU2460988C1 (ru) * 2011-06-01 2012-09-10 Александр Павлович Белоглазов Способ измерения распределения частиц по размерам в расширенном диапазоне концентраций и устройство для реализации способа (варианты)
CN102636463A (zh) * 2012-04-24 2012-08-15 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 硫酸氧钛水解的在线检测装置及控制设备
US20160327483A1 (en) * 2015-05-04 2016-11-10 Bucknell University Liquid mixture sensors and systems and methods utilizing the same
SE1650816A1 (en) * 2016-06-10 2017-11-21 Bomill Ab A detector system comprising a plurality of light guides and a spectrometer comprising the detector system
RU2634096C1 (ru) * 2016-07-26 2017-10-23 Общество с ограниченной ответственностью "ПлазмоСил" (ООО "ПлазмоСил") Способ измерения функции распределения коллоидных частиц по размерам в водном растворе
EP4050322A1 (en) * 2016-08-04 2022-08-31 Malvern Panalytical Limited Method of characterising particles suspended in a fluid dispersant by light diffraction, processor or instrument and machine-readable, non-transient storage medium
US10473591B2 (en) 2017-05-01 2019-11-12 Wyatt Technology Corporation High throughput method and apparatus for measuring multiple optical properties of a liquid sample

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6114542A (ja) * 1984-06-30 1986-01-22 Toshiba Corp 粒径測定装置
US4779003A (en) * 1986-03-25 1988-10-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Apparatus for measuring a droplet size distribution based on the scattered light intensity of light applied to the droplets
US5815611A (en) * 1995-08-11 1998-09-29 The Research Foundation Of State University Of New York Method and apparatus for submicroscopic particle sizing, and probe therefor
US6958816B1 (en) * 2001-10-05 2005-10-25 Research Foundation Of The University Of Central Florida Microrheology methods and systems using low-coherence dynamic light scattering
RU2306970C1 (ru) * 2005-12-21 2007-09-27 Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB220265A (en) 1924-05-31 1924-08-14 John Burns Improvements in and relating to apparatus for filling bottles, jars and other vessels with regulated quantities of liquids
GB8705844D0 (en) 1987-03-12 1987-04-15 Secr Defence Dynamic light scattering apparatus
US4983040A (en) 1988-11-04 1991-01-08 The Research Foundation Of State University Of New York Light scattering and spectroscopic detector
US5155549A (en) 1990-10-25 1992-10-13 The Research Of State University Of New York Method and apparatus for determining the physical properties of materials using dynamic light scattering techniques
US5402508A (en) 1993-05-04 1995-03-28 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fiber optic probe having fibers with endfaces formed for improved coupling efficiency and method using same
US5693944A (en) 1994-09-02 1997-12-02 Ntc Technology, Inc. Gas analyzer cuvettes
US5822072A (en) 1994-09-30 1998-10-13 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Fiberoptic probe and system for spectral measurements
US5973779A (en) * 1996-03-29 1999-10-26 Ansari; Rafat R. Fiber-optic imaging probe
US5646597A (en) 1996-07-11 1997-07-08 Robert N. Hamburger Allergen detector system and method
US5818583A (en) * 1996-11-08 1998-10-06 Purdue Research Foundation Particle analysis system and method
EP0983501A1 (en) * 1996-11-08 2000-03-08 Purdue Research Foundation Particle analysis system and method
DE19725211C1 (de) 1997-06-15 1998-06-04 Alv Laser Vertriebsgesellschaf Faserdetektor zur Detektion des Streulichtes oder des Fluoreszenzlichtes einer flüssigen Suspension
US6519032B1 (en) * 1998-04-03 2003-02-11 Symyx Technologies, Inc. Fiber optic apparatus and use thereof in combinatorial material science
US6469787B1 (en) 2001-04-03 2002-10-22 Ohio Aerospace Institute Dynamic light scattering homodyne probe
JP3860162B2 (ja) 2003-10-20 2006-12-20 大塚電子株式会社 位相変調型干渉法を用いた動的光散乱測定装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6114542A (ja) * 1984-06-30 1986-01-22 Toshiba Corp 粒径測定装置
US4779003A (en) * 1986-03-25 1988-10-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Apparatus for measuring a droplet size distribution based on the scattered light intensity of light applied to the droplets
US5815611A (en) * 1995-08-11 1998-09-29 The Research Foundation Of State University Of New York Method and apparatus for submicroscopic particle sizing, and probe therefor
US6958816B1 (en) * 2001-10-05 2005-10-25 Research Foundation Of The University Of Central Florida Microrheology methods and systems using low-coherence dynamic light scattering
RU2306970C1 (ru) * 2005-12-21 2007-09-27 Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления

Also Published As

Publication number Publication date
US20090213372A1 (en) 2009-08-27
US7982874B2 (en) 2011-07-19
RU2351912C1 (ru) 2009-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2009067043A1 (fr) Procédé de mesure des dimensions de particules dans un liquide et dispositif de mise en oeuvre
EP0899548B1 (en) Cross-correlation method and apparatus for suppressing the effects of multiple scattering
JP5325679B2 (ja) 低コヒーレンス光源を用いた動的光散乱測定装置及び光散乱強度測定方法
CN101699265A (zh) 动态偏振光散射颗粒测量装置及测量方法
JP5841475B2 (ja) 低コヒーレンス光源を用いた動的光散乱測定法及び動的光散乱測定装置
McCluney Radiometry of water turbidity measurements
Wishard et al. Dynamic light scattering–an all-purpose guide for the supramolecular chemist
CN101122555A (zh) 基于后向光子相关光谱的高浓度超细颗粒测量装置及方法
US5572321A (en) Detector for measuring the luminous intensity scattered by thin films of colloidal media
CN201622228U (zh) 动态偏振光散射颗粒测量装置
Ahmed et al. Separation of fluorescence and elastic scattering from algae in seawater using polarization discrimination
JPH0854339A (ja) コロイド状物質を含む溶媒の色度、濁度の測定方法と その装置
RU2610942C1 (ru) Способ оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах и устройство для его осуществления
Kovalenko et al. Correlation spectroscopy measurements of particle size using an optical fiber probe
Brown et al. Interfacing a fiber-optic probe to a diode array UV-visible spectrophotometer for drug dissolution tests
NL1004507C2 (nl) Werkwijze en inrichting voor het meten van deeltjesgrootte.
RU172097U1 (ru) Фотометрическое устройство распознавания многокомпонентных примесей нефтепродуктов в воде
RU2281479C1 (ru) Флюориметр-мутномер
CN212844874U (zh) 一种基于光学腔增强的液体测量系统
RU2796124C2 (ru) Устройство для определения размеров наночастиц в турбулентном воздушном потоке в зависимости от влияния изменений их общей концентрации
Merkus et al. Dynamic light scattering
RU2714751C1 (ru) Способ оценки агрегации наночастиц в коллоидных растворах
CN107941719B (zh) 一种溶液表面反射吸光度测定装置及其应用
CN202330223U (zh) 一种单光束互相关高浓度纳米颗粒测量装置
CN107677622B (zh) 一种溶液表面反射吸光度测定装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08852985

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08852985

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1