Способ определения концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за плоской ударной волной Советский патент 1990 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к газовому анализу с помощью оптических средств и может быть использовано, например для диагностики плазмы, движущейся

за фронтом ударной волны в ударной трубе.

Известен способ определения концентраций компонентов ионизирован- ного газа в потоке, осуп1ествляемый посредством создания интерференцион ного поля в белом и монохроматическом свете для разных длин воли и опр деления смещения интерференционных полос. По ахроматической полосе, наблкгдаемой на интерференционной картине в белом свете, осуществляется идентификация полос в возмущенной и не возмущенной областях газовой неодно родности. По интерференционным кар тинам в монохроматическом свете измеряют изменение оптической раз ности. хода по всему исследуемому и рассчитывают концентрации компонентов ионизированного газа по измеранному изменению оптической разност хода. Недостатками известного способа являются ограниченный диапазон измен ния концентрации компонентов из-за ошибок определения порядка смещения ахроматической полосы,. При большом изменении плотности исследуемого газ ахроматическая интерференционная по-лоса может выйти из поля зрения, При переменной по полю плотности газа компенсация по всему исследуемому полю становится невозможнойJ В этом случае концентрация компонентов в различных областях исследуемого поля определяется из серии однотипных экспериментов, параметры потока в могут значительно отличаться оди от другого,, Наиболее близким техническим ре шением является способ определения концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за плоской ударной волной, заключающийся в просвечивани потока газа зондирующим пучком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волны св та и определении по ней состава газа с п мощью дисперсионных соотношений для не скольких спектральных интервалов. Интерференционную картину в координатах время длина волны света ре гистрируют следующим образом; при помощи интерферометра, например интерферометра Маха-Цендера, формируют интерференционную картину газового потока в белом свете. Световой зондирующий пучок направляют параллель но плоскости ударной волны. Интерференционную картину проецируют на плоскость входной щели спектрографа. На выходе спектрографа получают разложенную в спектр интерференционную картину, которую разворачивают во времени с помощью фоторегистратора, В результате на регистрирующем материале фоторегистратора образуется интерференционная картина в координатах время - длина волны света, В момент прохождения фронта ударной волны через зондирующий пучок интерференционные полосы терпят разрыв, величину которого измерить непосредствен о по интерферограмме не представляется возможным. Расчет концентаций компонентов ионизированного газа в потоке за ударной волной осуществляют, с помощью дисперсионных соотношений, которые записываются в виде уравнений для нескольких значений длин волн. Количество уравнений на единицу больше количества определяемых компонентов в потоке, так как неизвестной величиной здесь является также и величина разрыва интерференционных полос на фронте ударной волны, В случае однократно ионизированного атомарного газа (например, аргона) решается система из трех урав- нений, записанных для трех различных длин воли bAfN, + Ь - S, 4i.i , О ) aNo, + b Л 3 N е где Ng( и N. - изменение концентрации атомов и электронов при переходе через фронт ударной волны; Sft - S ,; 41 i а и b постоянные известные величины; смещения интерференционных полос для длин золн света Л, Д , }, Величины /, находятся из интерферограмм в координатах время - длина волны света следующим образом. Для.длин волн света Д , Д , Дд и измеряют количество интерференционных полос до и после фронта ударной волны на участках Л,- Д и Л, - Дз интерферограммы. Разность между количеством интерференционных полос до и после фронта ударной волны на участке А,- Д интерферограммы составляет величину ,jH соответственно на участке Л, - Лд 5 .Недостатком прототипа является низкая точность определения концент раций компонентов газового потока, так как входящие в правые части ура нений (I) величины f и. сГ, опред ляемые по интерферограмне, имеют большую относительную погрешность в силу малости их абсолютных величин (несколько интерференционных полос) Цель изобретения - повышение точ ности определения концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за плоской ударной волной. Поставленная цель достигается тем, 1то в способе определения концентрации компонентов ионизированного газа :в потоке за плоской ударной волнойу заключающемся в просвечивании потока газа зондирующим пуч ком, регистрации интерференционной картинь в координатах время - длина волны света и определении по ней состава газа с помощью дисперсионны соотношений для нескольких спектрал ных инте рвалов, просвечивание пот9к газа производят наклонно под острым углом кпло ;кости фронта ударной волны, регистрируют интерференционную картину при наклонном пррсвечи- вашш Потока,измеряют величи1| Ы смещений интерференционных полос на фронте ударной волны непосредственно по интерференционной картине, причем количество спектральных интервалов выбирают равным числу компонентов в газовом потоке,, а угол просвечивания фронта ударной волны выбирают из условия (п - п,) Ui Ы : arcs in AV 1 где и - скорость фронта ударной волны;V - скорость развертки спектра интерференционной картины; ширина невозмущенных интёр фёренционных полис; п - пбказатели преломления газа соответственно перед и за фронтом ударной волны; R - разрешающая способность регистрирующего материала; А - наименьшая длина волны,света в спектре интерференционной картины. При наклонном просвечивании nOTQка под углом о( к фронту ударной вол- 7 ны интерференционные полосы на фронте ударной волны не терпят разрыва: на интерферограммё образуется участок, в котором интерференционные полосы переходят из невозмущенной области в возмущенН5 Ю область интерферограммы без разрыва, благодаря чему смещение интерференционных лолос определяется с высокой относительной точностью. При этом правые части системы уравнений (1), число которых на единицу меньше, чем в известном способе, пре1дставляют собой произведения сме- щений интерференционных полос на длИ ны волн света, , разность хода световых лучей, которые будут определять непосредственно по интерфе- . рограмме с высокой относительной. точностью. На фиг,1 показана схема ийтерферограммы в координатах время - длина волны света, полученная при наклонном просвечивании фронта ударной волны; нл фиг,2 - схема расположе- , ния фронта ударной волны относитель но просвечивающего пучка света, пояснякицая предлагаемый способ, Интерферограмма содержит интерференционные полосы 1, участок 2, образующийся за счет движения фронта ударной волны при его наклонном просвечивании невозмущенную область 3, область 4 ионизированного газо- , вого потока (Л - длина волны света, О - время). Фронт 5 ударной волны движется со скоростью и, вектор 6 скорости фронта ударной волны, составляет угол о( к зондирующему пучку 7, сечение 8 исследуемого потока равно 1 (,2). Предложенный способ включает следующую последовательность операций. Просвечивают движущуюся ударную волну в газе наклонно зондируюощм пучком под острым угломV к плоское ти фронта ударной волны. Получают интерференционную картину и разлатают ее в спектр. Последний развора- о времени н регистрируют интерферограмму в координатах время « длина волны света. По интерферограмне иэмеряют величины смещения интер Ференциоиных полос на фронте ударной волны, измеряют для стольких длин волн, сколько газовых компонентов в потоке. Угол о наклона зондирую щего пучка к фронту ударной волны задают в соответствии с соотношением (2). Соотношение (2) получено на осно ве рассмотрения фиг, и фиг.2, Ми нимальная ширина 1д,,нтерференцион ных полос 1 на участке 2 интерферо- граммы (фиг,1) которая еще будет разрешена, равна - . где Р - Ширина участка 2 интерферо граммы; ширина невозмущенных интер ференционных полос в области 3 интерферограммы перед ударной волной; Ы - величина смещения интерференционных полос, выраженна в долях световых волн, при переходе через участок 2 ин терферограммы; R - разрешающая способность регистрирующего материала. Принимая во внимание соотношение NA iijjl - nl, а также то, что длина геометрического пути 1 светового пучка в исследуемом потоке при его просвечивании под углом о к фронту ударной волны равна 1 IQ/COS с/ ( сечение исследуемого потока, фиг,2), из соотношения (3) получим Р -IjlS-I-Sal- i j Acos; vтч С другой стороны (см, фиг,2), имеем, что интервал времени, в тече ние которого фронт 5 ударной волны, движущийся со скоростью и, просвечи вается зондирующим пучком 7, состав ляет ioS. Умножив это время d-Ha скорость V развертки интерференционной картины во времени, получим следующее выражение для Р Приравнивая правые части соотношений (4) и (5), найдем значение уг ла просвечивания й,, при котором интерференционные полосы п участке 2 интерферограммы еще разрешаются loU (п - nj arcsxn I Л VYR Так как знак угла не играет роли, то условие, необходимое для реализации предложенного способа, имеет вид (см. соотношение (2)), Предложенный способ может быть реализован с помощью следунлцей аппаратуры: интерферометра типа МахаЦецдера,. иризменного спектрографа типа ИеП-51 и скоростного фоторегист ратора- ждущего типа ЖФР, Интер1ферометр располагается относительно ударной волны так, что его объектив:ный пучок составляет с плоскостью фронта ударной врлньгугол d , Интерференционная картина, образуемая на выходе интерферометра, с помощью объектива проецируется на входнзгю Щель спектрографа. После спектрографа интерференционная картина, разложенная в спектр, фокусируется на входную щель фоторегистратора, расположенную перпендикулярно входной щели спектрографа. Фоторегистратор осуществляет временную развертку интерференционной картины разложенной в спектр, на регистрйрунщем маtepHane (фотопленке). В результате на фотопленке регистрируется интерференционная картина в координатах время - длина волны света, по которой измеряется смещение интерференционных полос на фронте ударной вол ны для различных длин волн и на основе этих смещений записываются дисперсионные уравнения, из которых вычисляются концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за ударной волной, . V -,. . . Пример, Рассмотрим использование предложенного способа для определения кршдентрацйи компонентов в потоке за плоской ударной волной, распространяющейся по аргону в ударной трубе, имеющей сечение 2,7х см, В таком потоке Присутствуют тяжелые компоненты (атомы и ионь) и электроны. Обозначим концентрацию тяжелых компонент через N,. и электронов Через Nji Пусть скорость ударной волны и 5000 м/с, начальное давлениеаргона в ударной трубе 10 мм рт,ст,, скорость развертки спектра интерференционной картины V 500 м/с, регистрируемый интерва спектра интерференционной картиш „по длинам волн 4-10 см - 7-10- см. Исследовательская камера ударной трубы, по которой распространяется ударная волны, помещается в рабочую Iветвь интерферометра, и поток газа просвечивается объектным световым пучком интерферометра под углом oi к фронту ударной волны. Согласно фо муле (2) величина этого угла в данном конкретном случае должна быть не менее 4°45, При вычислении угла d значение (п - п) 33 -10 опре делено по скорости фронта ударной волны; ширина невозмущенных интерфе ренционных полос Г мм, длина волны света / , разрешающая способность регистрирующего ма- териала R 10 линий/мм выбраны в .соответствии с экспериментом. С помощью спектрографа и фоторегистратора на фотопленке регистри руется интерференционная картина в координатах время - длина волны све та. По полученной интерферограмме измеряется величина смещения интерференционных полос при их переходе из невозмущенной области 3 в возмущённую область 4 (см. фиг.1) для 7-10 и двух длин волн Л 4 -10 см. Пусть определенные смещения интерференционных полос для этих длин волн будут соответственно равны S 15 и S - 10. На основе этих измеренных смещений интерферен ционных полос на ударной волне составляется система дисперсионных уравнений aN;,,, 8,Д 8,Л , (6) где а и Ь - постоянные коэффициенты, зависящие от рода газа и размера исследуемого потока. В данном случае а 2,82-10- ; Ь 3,78 10. Решение системы дисперсионных урав- нений имеет вид , - Ь (л; - л) /,(8 S-zA,) а (.л5- Л Подставляя в последние формулы значеа и Ь, получим ния искомые значения концентраций атомов ( электронов (Ng): xlO ; 30-10 Степень иониза -.100% 17,3%. В ции аргона KV рассмотренном примере погрешность уменьшается в 20 раз до 1,6%. Способ может быть использован при газовом .анализе для определения концентрации компонентов движущихся газовых потоков, имеющих резкий перепад плотности. Способ может найти применение как при научных исследованиях, так и в промышленности, по- скольку для его осуществления требуется аппаратура только известного типа.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА В ПОТОКЕ ЗА ПЛОСКОЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ, заключающийся в просвечивании потока газа зондирующим пучком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волнь света и определении по ней состава газа с помощью дисперсионных соотношений для нескольких спект-. ральных интервалов, о т л и ч.а ю щи и с я тем, что, с целью повы- . шения точности определения концент- (рации, просвечивание потока газа производят наклонно под острым углом к плоскости фронта ударной волны, регистрируют интерферендионщгю картину при наклонном просвечивании потока, измеряют величины смещений интерференционных полос на фронте ударной волны непосредственно по интерференционной картине, причем количество спектральных интервалов выбирают равным числу компонентов в газовом потоке, а угол просвечивания фронта ударной волны выбирают из условия , ,, . (п - По) иго |о( I: агCS in7- , Л V VB/ ti; - 1 где и скорость фронта ударной волны; , V - скорость развертки спектра интерференционной картины; ширина невозмущенных интерференционных полос; СХ) показатели преломления газа п соответственно перед и за фронтом ударной волны; К1 R разрешающая способность ре-, гистрирующего материала; Д наименьшая длина волны света в спектре интерференционной картины.