RU2730418C1 - Method of determining impurities in liquid media - Google Patents
Method of determining impurities in liquid media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730418C1 RU2730418C1 RU2019131305A RU2019131305A RU2730418C1 RU 2730418 C1 RU2730418 C1 RU 2730418C1 RU 2019131305 A RU2019131305 A RU 2019131305A RU 2019131305 A RU2019131305 A RU 2019131305A RU 2730418 C1 RU2730418 C1 RU 2730418C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- impurities
- sample
- determining
- state
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000012535 impurity Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims description 4
- 230000005281 excited state Effects 0.000 claims description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000001454 recorded image Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Способ определения примесей в жидких средах относится к области диагностики и контроля качества жидкостей и может найти применение в машиностроении, энергетике, авиации и других областях техники при анализе технических жидкостей на наличие в них различного рода примесей.The method for determining impurities in liquid media belongs to the field of diagnostics and quality control of liquids and can be used in mechanical engineering, power engineering, aviation and other fields of technology in the analysis of technical fluids for the presence of various kinds of impurities in them.
Известен способ определения сверхмалых концентраций примесей в растворах и газах, основанный на пропускании лазерного излучения через контролируемую жидкость и при последующем анализе регистрируемых изображений, формирующихся в результате комбинационного рассеяния лазерного излучения, проходящего через измерительную кювету с исследуемым объектом [см., например, Сборник научных трудов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011» С. 59-60.].A known method for determining ultra-low concentrations of impurities in solutions and gases, based on the transmission of laser radiation through a controlled liquid and the subsequent analysis of the recorded images formed as a result of Raman scattering of laser radiation passing through a measuring cell with the object under study [see, for example, Collection of scientific papers "Scientific session of NRNU MEPhI-2011" P. 59-60.].
Недостатком данного способа является зависимость точности определения примесей от разрешения объектива оптической системы и системы регистрации данных.The disadvantage of this method is the dependence of the accuracy of the determination of impurities on the resolution of the lens of the optical system and the data recording system.
Известен способ определения микрочастиц в жидкости методом цифровой голографии, заключающийся в облучении жидкости лазерным излучением, получении изображений слоев исследуемой жидкости и распознавании малых рассеивающих частиц в произвольном сечении объема на основе определения корреляционных функций регистрируемых голограмм в соответствующем слое контролируемой жидкости [Petrov N.V. Correlation characterization of particles in volume based on peak-to-basement ratio. Scientific reports. 2017. Т. 7.]. В данном способе измерительную кювету облучают лазерным излучением и получают изображения объема среды в нескольких слоях. Оценку изображений проводят по результатам корреляционного анализа.There is a method for determining microparticles in a liquid by the digital holography method, which consists in irradiating a liquid with laser radiation, obtaining images of layers of the studied liquid and recognizing small scattering particles in an arbitrary section of the volume based on determining the correlation functions of the recorded holograms in the corresponding layer of the controlled liquid [Petrov N.V. Correlation characterization of particles in volume based on peak-to-basement ratio. Scientific reports. 2017. T. 7.]. In this method, the measuring cuvette is irradiated with laser radiation and images of the volume of the medium in several layers are obtained. The images are evaluated according to the results of the correlation analysis.
Основным недостатком способа является недостаточная точность определения примесей, обусловленная затенением изображений последовательных слоев друг другом.The main disadvantage of this method is the lack of accuracy in the determination of impurities due to the shading of images of successive layers with each other.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ определения примесей в жидких средах [Патент RU 2659192, МПК G01N 21/3577, опубл. 28.06.2018. Бюл. №19], заключающийся в предварительном отборе контролируемой пробы, ее перемешивании, пропускании через нее сформированного спекл-поля, выдерживании на время необходимого до полного оседания примесей в пробе жидкости, и повторной регистрации спекл-изображения, проведении оценки параметров примесей по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии жидкости и в состоянии ее покоя.The closest in technical essence is a method for determining impurities in liquid media [Patent RU 2659192, IPC G01N 21/3577, publ. 28.06.2018. Bul. No. 19], which consists in the preliminary selection of a controlled sample, its mixing, passing the formed speckle field through it, holding for the time necessary until the impurities completely settle in the liquid sample, and re-registering the speckle image, evaluating the parameters of impurities by the value of the correlation coefficient of two speckle images recorded in the excited state of the liquid and at its rest.
Основным недостатком способа является низкая точность определения наличия примесей при размерах частиц в контролируемой жидкости, не превышающих длину волны лазера. Данный недостаток обусловлен тем, что спекл-изображение меняет свою структуру только тогда, когда размер частиц соизмерим с длиной волны лазера.The main disadvantage of this method is the low accuracy of determining the presence of impurities when the particle size in the controlled liquid does not exceed the laser wavelength. This disadvantage is due to the fact that the speckle image changes its structure only when the particle size is commensurate with the laser wavelength.
Технический результат изобретения - повышение точности определения примесей в жидких средах за счет формирования спекл-поля в жидкой среде в результате прохождения вихревого лазерного пучка через контролируемую пробу с частицами примеси существенно меньше длины волны лазера.The technical result of the invention is an increase in the accuracy of determining impurities in liquid media due to the formation of a speckle field in a liquid medium as a result of the passage of a vortex laser beam through a controlled sample with impurity particles significantly less than the laser wavelength.
Технический результат достигается тем, что производят отбор пробы контролируемой жидкости, перемешивают жидкость, пропускают через пробу контролируемой жидкости лазерное излучение, регистрируют спекл-изображения, выдерживают кюветы с пробой на время, достаточное для полного оседания примесей в жидкости и повторно регистрируют спекл-изображения, оценку параметров примесей осуществляют по значению коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном состоянии и в состоянии ее покоя, отличающий тем, что предварительно формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу.The technical result is achieved by the fact that a sample of the controlled liquid is taken, the liquid is stirred, laser radiation is passed through the sample of the controlled liquid, speckle images are recorded, the cuvettes with the sample are kept for a time sufficient for the complete sedimentation of impurities in the liquid and the speckle images are re-registered, the assessment The parameters of impurities are carried out according to the value of the correlation coefficient of two speckle images recorded in an excited state and in a state of its rest, which is distinguished by the fact that a laser beam with a screw dislocation of the wavefront is preliminarily formed and passed through a liquid sample.
Сущность изобретения заключается в том, что предварительно формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу.The essence of the invention lies in the fact that a laser beam with a screw dislocation of the wavefront is preliminarily formed and passed through a liquid sample.
В известном способе спекл-поле в контролируемой жидкости меняет свою структуру за счет интерференции его на частицах примеси в контролируемой жидкости. Это происходит в случае, когда размеры частиц соизмеримы с длиной волны лазерного излучения. Изменение структуры спекл-поля вызывает изменение спекл-изображения, которое фиксируется до оседания примеси (после взбалтывания контролируемой жидкости) и после оседания примеси. Коэффициент корреляции между ними дает информацию о наличии примеси.In the known method, the speckle field in a controlled liquid changes its structure due to its interference on impurity particles in a controlled liquid. This happens when the particle size is comparable to the laser wavelength. A change in the structure of the speckle field causes a change in the speckle image, which is fixed before the impurity settles (after shaking the controlled liquid) and after the impurity settles. The correlation coefficient between them gives information about the presence of an impurity.
Известно, что лазерный вихревой пучок в однородной среде (жидкая среда без примесей) сохраняет свою структуру, а в рассеивающей среде (жидкая среда с примесью) в пучке происходит разупорядочивание части вихревой структуры электромагнитного поля, при увеличении концентрации примесей способное привести к полному разрушению структуры пучка (см., например, Аксенов В.П. Канев Ф.Ю. и др. Регистрация параметров вихревого пучка в турбулентной атмосфере. 4.1. Использование градиентов волнового фронта. С. 177). В работе Петрова Н.В., Павлова П.В., Малова А.Н. / Численное моделирование распространения и отражения оптического вихря методами скалярной теории дифракции. Квантовая электроника, 43, №6 (2013), с. 586 показано, что структура вихревого лазерного пучка начинает нарушаться при отражении от неровностей существенно меньше длины волны лазера. Это приводит к формированию спекл-изображения. Поэтому учитывая, что лазерные пучки с винтовой фазовой дислокацией волнового фронта есть ни что иное, как вихревые лазерные пучки [см., например, Котляр В.В., Ковалев А.А. Вихревые лазерные пучки (Самара: Новая техника, 2012)], согласно изобретению, формируют лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта и пропускают его через жидкую пробу. При прохождении через жидкость с примесью разрушение такого пучка происходит при наличии в ней примесей с размерами частиц 20 нм (см., например, Петров Н.В., Павлов П.В., Малов А.Н. / Численное моделирование распространения и отражения оптического вихря методами скалярной теории дифракции. Квантовая электроника, 43, №6 (2013), с. 586), что существенно меньше длины волны лазерного излучения.It is known that a laser vortex beam in a homogeneous medium (liquid medium without impurities) retains its structure, and in a scattering medium (liquid medium with an impurity), a part of the vortex structure of the electromagnetic field is disordered in the beam, and with an increase in the concentration of impurities it can lead to complete destruction of the beam structure (see, for example, V.P. Aksenov, F.Yu. Kanev and others. Registration of the parameters of a vortex beam in a turbulent atmosphere. 4.1. Using wavefront gradients. P. 177). In the work of N.V. Petrov, P.V. Pavlov, A.N. Malov. / Numerical simulation of the propagation and reflection of an optical vortex using the scalar diffraction theory. Quantum Electronics, 43, No. 6 (2013), p. 586 shows that the structure of the vortex laser beam begins to break when reflected from irregularities significantly less than the laser wavelength. This leads to the formation of a speckle image. Therefore, taking into account that laser beams with a screw phase dislocation of the wavefront are nothing more than vortex laser beams [see, for example, VV Kotlyar, AA Kovalev. Vortex laser beams (Samara: Novaya Tekhnika, 2012)], according to the invention, form a laser beam with a screw dislocation of the wavefront and pass it through a liquid sample. When passing through a liquid with an impurity, the destruction of such a beam occurs in the presence of impurities with a particle size of 20 nm (see, for example, Petrov N.V., Pavlov P.V., Malov A.N. / Numerical modeling of propagation and reflection of an optical vortex by the methods of scalar diffraction theory.Kvantovaya elektronika, 43, No. 6 (2013), p. 586), which is significantly less than the wavelength of laser radiation.
Этим достигается указанный в изобретении технический результат.This achieves the technical result specified in the invention.
Формирование лазерного пучка с винтовой дислокацией волнового фронта может быть выполнено с помощью фазовых транспарантов или дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [см., например, Л.А. Казак, А.Л. Толстик. Вестник БГУ. Сер. 1. 2010. №2 с. 3] или с помощью пространственного модулятора света - SLM [см., например, А.А. Зинчик. Применение пространственных модуляторов света для формирования лазерных пучков со спиральным распределением фазы. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, том 15, №5, С. 817-824].The formation of a laser beam with a screw dislocation of the wavefront can be performed using phase transparencies or diffractive optical elements (DOEs) [see, for example, L.A. Kazak, A.L. Fatty. BSU Bulletin. Ser. 1. 2010. No. 2 p. 3] or using a spatial light modulator - SLM [see, for example, A.A. Zinchik. Application of spatial light modulators for the formation of laser beams with a spiral phase distribution. Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics, 2015, volume 15, No. 5, pp. 817-824].
Способ может быть реализован аналогично прототипу с некоторым отличием, заключающемся в предварительном формировании лазерного пучка с винтовой дислокацией волнового фронта. Формирование такого пучка может быть получено, апример, пропусканием лазерного излучения через ДОЭ. Затем пропускают лазерный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта через перемешанную контролируемую пробу. При прохождении такого пучка через пробу, находящиеся в ней частицы примеси приводят к нарушению поперечной структуры пучка, т.е. к образованию спеклов, формировании лазерного пучка с винтовой фазовой дислокацией волнового фронта и пропускании его через жидкую пробу. При прохождении вихревого пучка через возбужденную пробу при наличии примесей в контролируемой пробе нарушается его поперечная структура даже при размерах частиц меньше длины волны лазера, что приводит к образованию спеклов, которые регистрируются аналогично прототипу. После оседания примесей процесс повторяется. Решение о наличии либо отсутствии примесей в жидкой пробе осуществляют путем определения коэффициента корреляции двух спекл-изображений, зарегистрированных в возбужденном (после перемешивания) состоянии пробы и в состоянии ее покоя (после оседания примесей). В результате в области наблюдения происходит регистрация спекл-изображений.The method can be implemented similarly to the prototype with some difference, which consists in the preliminary formation of a laser beam with a screw dislocation of the wavefront. The formation of such a beam can be obtained, for example, by passing laser radiation through the DOE. Then a laser beam with a screw dislocation of the wavefront is passed through a mixed controlled sample. When such a beam passes through the sample, the impurity particles in it lead to a violation of the transverse structure of the beam, i.e. to the formation of speckles, the formation of a laser beam with a screw phase dislocation of the wavefront and its transmission through a liquid sample. When a vortex beam passes through an excited sample in the presence of impurities in the controlled sample, its transverse structure is violated even with particle sizes less than the laser wavelength, which leads to the formation of speckles, which are recorded similarly to the prototype. After the sedimentation of impurities, the process is repeated. The decision on the presence or absence of impurities in a liquid sample is carried out by determining the correlation coefficient of two speckle images recorded in the excited (after mixing) state of the sample and in its rest state (after the sedimentation of impurities). As a result, speckle images are recorded in the observation area.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019131305A RU2730418C1 (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Method of determining impurities in liquid media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019131305A RU2730418C1 (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Method of determining impurities in liquid media |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2730418C1 true RU2730418C1 (en) | 2020-08-21 |
Family
ID=72237766
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019131305A RU2730418C1 (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Method of determining impurities in liquid media |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2730418C1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040239932A1 (en) * | 2001-06-18 | 2004-12-02 | Doriano Brogioli | Method of measuring properties of particles immersed in a body and corresponding apparatus |
| RU2659192C1 (en) * | 2017-06-20 | 2018-06-28 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for determination of impurities in liquid media |
-
2019
- 2019-10-02 RU RU2019131305A patent/RU2730418C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040239932A1 (en) * | 2001-06-18 | 2004-12-02 | Doriano Brogioli | Method of measuring properties of particles immersed in a body and corresponding apparatus |
| RU2659192C1 (en) * | 2017-06-20 | 2018-06-28 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for determination of impurities in liquid media |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| T.A. Vovk, N.V. Petrov "Correlation characterization of particles in volume based on peak-to-basement ratio" Scientific reports, т. 7, 2017. "Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011" С. 59-60. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10921229B2 (en) | Detection scheme for particle size and concentration measurement | |
| Maaß et al. | Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions | |
| EP2387708B1 (en) | Automated real-time particle characterization and three-dimensional velocimetry with holographic video microscopy | |
| US20100315635A1 (en) | Device and method for measuring static and dynamic scattered light in small volumes | |
| US20240241024A1 (en) | Depicting of objects | |
| Jacobsen et al. | Refractive‐index‐induced aberrations in two‐photon confocal fluorescence microscopy | |
| Grant et al. | Low-cost, open-access quantitative phase imaging of algal cells using the transport of intensity equation | |
| RU2730418C1 (en) | Method of determining impurities in liquid media | |
| WO2009067043A1 (en) | Method for measuring particle size in a liquid and device for carrying out said method | |
| Kapfenberger et al. | Accurate holographic imaging of colloidal particle pairs by Rayleigh-Sommerfeld reconstruction | |
| d’Abzac et al. | Experimental and numerical analysis of ballistic and scattered light using femtosecond optical Kerr gating: a way for the characterization of strongly scattering media | |
| Altman et al. | Interpreting holographic molecular binding assays with effective medium theory | |
| RU2659192C1 (en) | Method for determination of impurities in liquid media | |
| Bressel et al. | 4.10 Photon Density Wave (PDW) Spectroscopy for Nano‐and Microparticle Sizing | |
| Ketkova et al. | 3D laser ultramicroscopy: A method for nondestructive characterization of micro-and nanoinclusions in high-purity materials for fiber and power optics | |
| Putz et al. | Glare Points in Laser Flow Cytometry | |
| Hoshino et al. | Scatterometry using deep learning for analysis of oil including phosphor | |
| Marchioro et al. | Can vibrational sum frequency scattering spectra be measured from the surface of 40-100 nm aerosols in a cloud containing 10$^{6} $ particles/mL? | |
| Seet et al. | Refractometry of organosilica microspheres | |
| Grebenikova et al. | Features a construction to optical system of refractometer for monitoring a state of flowing media | |
| Karabegov | Particle size fraction monitoring of dispersion liquids | |
| RU2343453C2 (en) | Liquid product falsification detector | |
| Pavlov et al. | Determination of the Working Liquids Technical Condition By Analysis of Digital Speckle Images Parameters | |
| Räty et al. | Light transmission model for determination of the refractive index of solid particles in suspensions: an immersion study | |
| Mikhyeyev | SURFACE PLASMON MICROSCOPY OF INHOMOGENEOUS AQUEOUS MIXTURES MICROSCOPIE DE PLASMONS DE SURFACE DES MÉLANGES AQUEUX |