Способ измерения показателя поглощения жидкокапельного аэрозоля Советский патент 1992 года по МПК G01N21/59 G01N21/31 

Изобретение относится к лазерному зондированию атмосферы, к способам определения и контроля параметров атмосферных аэрозолей, к области охраны природы и контроля загрязнений атмосферы, в частности к способам измерения показателя поглощения жидких аэрозолей„

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - график изменения со временем давления Р в измерительной ячейке с газо-аэро- . i зольной смесью при ее облучении лазерным импульсом с,Е 2 Дж/см и длиной полны 10,6 мкм, На фиг. 1 представлены импульсный лазер 1, измерител. 2 энергии излучення, разделительное зеркало 3, измерительная кювета 4 с открытыми торцами, непрерывно прокачиваемая гаэо- аэрозольная смесь 5 (система прокачки не показана), датчик 6 давления, усилитель 7 электрического сигнала, регистрирующая и обрабатывающая система 8,

Массовая концентрация аэрозоля (вода) принималась равной реально наблюдаемым в атмосфере значениями -5-10 г/см . Состав газа в ячейке соответствует обычному воздуху приР- 1,0110 Паи РО 1,29кг/м. На фиг. 2 отдельно пунктиром нанесен ход давления Р , соответствующего аэрозольной компоненте, и Pj.- , соответствующего газовой составляющей.

Способ основан на эффекте временной селекции акустических сигналов от аэрозольной и газовой составля- пщей при их облучении коротким импульсным лазерным излучением (

тельность импульса J с ) , т.е. наличия двух пиков в сигнале давления. Временная селекция сигналов происходит из-за более быстрого про- формирования избыточного давления при поглощении излучения аэрозолем, чем газом. Можно выделить три основных механизма в газоэроэольной смеси:

1)поглощение излучения 1газом;

2)нагрев газа поглощающими излу чение частицами в результате эффектов теплопроводности и конвекции;

3)выброс частиц массы аэрозольных частиц в газ в результате их интенсивного испарения, что приводит к увеличению плотности газовой смеси.

Время проявления первых двух механизмов имеет один порядок ( л. 10 Третий же механизм протекает значи- тельно быстрее. Более того, он является тем более доминирумдим, чем короче и myльc воздействующего излучения и чем интенсивнее испарение частиц. В результате при облучении газоаэрозольной смеси импульсами излучения с длительностью Г 10 с давление в неГс повышается как бы в два этапа. Сначала за время t t. испаряется аэрозольная компонента, затем зя вромя L 10 с откликается газовая

Известно, что усредненное давление Р в иг-(М ритр.чь}и1Й яч€П1ке (бея

звуковой составляющей), облученной излучением, может быть определено из решения системы уравнений

dP dt

dU dt

где и

(У- 1) ) I IP . р dt р

Р - РО

(1)

р

-удельная внутренняя энергия газа;

-плотность газа;

у - показатель адиабаты газа; с - время тепловой релаксации

ячейки;

Р - атмосферное давление; Q - плотность внешних тепловых

источников; t - время.

Авторы решили систему (1) для случая смеси (газ + жидкий аэрозоль) при наличии фазового перехода и Короткого воздействия импульса. Из регаения следует наличие двух пиков в сигнале давления, причем максимум аэрозольной составляющей давления Р достигается к концу импульса излучения, а, следовательно, за рре- мена i10 с. Максимальное значение Р. равно

где а

Р ;j -

Р. В

показатель поглощения аэрозоля, значение амплитуды давления первого пика акустического сигнала. Па; начальное давление газа в ячейке. Па; начальная плотность газа, Дж/кг;

плотность зн&рглт в импульсе лазерного излучения Дж/м2,

Qg - удельная теплота испарения вещества аэрозоля, Лж/м.

Способ осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от импульсного лазера 1 через раэдепитель ное зеркало 3 погшдье в измеритель- ную кювету А и на измеритель энергии (узлучения 2. Измерительная кювета

предстарляет собой неревонансную otr тико-акустическую ячейку с открытыми торцами, через которые непрерыв51

но прокачивается игслсдуемая смесь 5 для избежания ослждомия на стенках ячейки. Возн1п:а)01(ее акустическое излучение принимается ,патч1гком 6 и через усилитель 7 пост:упает на вход регистрируклцей системы 8. Последняя может представлять собой либо эаиоми- наклдий осциллограф с хорошем временным разрешением ( ), либо комбинированную электронно-вычислительную систему. После обработки сигнала с датчика 6, заключающейся в снятии значения амплитуды давления первого пика акустического сигнала, искомое значение показателя поглощения аэрозоля вычисляют по формуле

QePc

РоЕ

П р и м е р. В результате измерений получено значение Р 16,5 Па (фиг. 2), Известно, что аэрозоль водный с Qg 2,5-10 -Дж/кг, а давление окружающего воздуха Р

1,01.10/ Па и его плотность П

-1,29 кг/м. Плотность энергии в импульсе излучения СО -лазера

(10,6 мкм) составляла Е 210 Дж/м Подставляя эти значения в (2), получим значение показателя поглощения аэрозоля а 2,610 м на длине волны / 10,6 мкм. Использование описанного способа измерения показателя поглмдения жид- кокапельного аэрозоля обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение точности измерений показателя поглощения. Действительно, потери излучения на отражение и поглощение при прохождении кюветы, заполненной одним газом, с окнами, выполненными, например, из BaF (для

1

-

301707

А Н),Ь мкм), спс тааппют 77 на каждом окне. Ошибка 77. п измерении энергии излучения Е согласно расчетной формуле вызовет ошибку в 14% при вычислении показателя поглощения. Поскольку изобретением не предусмотрено использование дополнительной кюветы с газом, то и измерение пока- Q зателя поглощения по предлагаемому способу точнее на 14%. Формула изобретения

Способ измерения показателя поглощения жидкокапельного аэроэоля, J5 закл1рчакщийся в том, что направляют в исследуемый объем лазерное излуче- нне, регистрируют возникшее в исследуемом объема акустическое излучение, измеряя акустическое 20 давление, по величине которого судят о показателе поглощения жидкокапель- . ного аэрозоля, отличающиЙ- с я тем, что, е целью увеличения точности измерений, направляют в не- 25 следуемый объем импульсное лазерное излучение с длительностью и тульса не более , измерение акустического давления проводят, регистрируя значение амплитуды Р„ давления первое 30 го пике акустического излучения, а показатель поглощениями аэроэоля определяют из выражения

35

а.Р„2.Л|- (М-),

О

0

1 де Qft удельная теплота испарепнл

вещества аэрозоля Дх/кг{ Од - начальная плотность гаэа кг/м i Р - начальное давление гаэа,

Па; Е - плотность энергии в шпульсе лазерного излучения,

Дж/м.

Изобретение относится к лазерному зондированию атмосферы, к способам определения и контроля параметров атмосферных аэрозолей, к области охраны природы и контроля загрязнений атмосферы, в частности к способам измерения показателя поглощения жидких аэрозолей. Цель изобретения - повышение точности измерений. Способ заключается в посыпке лазерного излучения в объем, содержащий исследуемый аэрозоль, приеме возникающего в исследуемом объеме акустического излучения и измерении его давления , по которому судят об искомом параметре. Новым в способе является то, что используют импульсное лазерное излучение с дпите льностью С .с , измеряют амплитуду первого пика акустического давления, а об искомом параметре судят по формуле « где а - показатель поглощения аэрозоля на длине волны лазерного излучения, Р„ - значение амплитуды давления первого пика акустического излучения. Па; Рд - начальное давление газа в исследуемом объеме. Па; начальная плотность газа, кг/м ; Qg - удельная теплота испарения вещества аэрозоля, Дне/кг; Е - плотность знерпш в т- пульсе лазерного излу гения, Дж/м. В основе изобретения - впервые обнаруженный авторами эффект временной селекции акустических сигналов .от аэрозольной и газовой составляющих. 2 ил. г ел