Нефелометр для измерения индикатрисы рассеяния аэрозолей Советский патент 1989 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике определения параметров аэрозолей оптическими методами, и может быть использовано в метеорологии для исследования атмосферных аэрозолей.

Целью изобретения является увеличение диапазона измеряемых углов рассеяния в стороиу малых углов рассеяния с одновременным расширением динамического диапазона измеряемых аэрозолей.

На фиг.1 показана схема нефелометра; на фиг.2 - приемное устройство с механизмом вращения и датчиком углового положения, разрез; иа фиг.З - схема нефелометра, поясняющая расчетные соотношения; на фиг.4 - схема расположения экранов.

Границы поля зрения приемного устройства показаны пунктиром.

Нефелометр содержит источник 1 зондирующего излучения и приемное устройство 2, оптически связанные

315

между собой через рассеивающий объем, первый 3 и второй 4 светозащитны экраны, расположенные между приемным устройством 2 и источникам I и пере- крьшающие часть действующего отверстия приемного устройства для малых углов рассеяния.

Приемное устройство 2 (фиг.2) состоит из зеркала 5, объектива 6, раздвижной диафрагмы 7 поля зрения, фотоприемника 8, механизма 9 вращения и датчика 10 углового положения, кинематически связанных с зеркалом 5.

Нефелометр работает следующим образом.

Приемное устройство 2 воспринимает рассеянное аэрозолем излучение зондирующего источника 1. Измерение рассеянного излучения для разньк углов рассеяния производится при вращении зеркала 5 (фиг.2) механизмом 9 вращения вокруг оптической оси обектива 6.Угловое положение зеркала 5 определяется с помощью датчика 10 углового положения. После отражения от зеркала 5 рассеянное излучение фокусируется объективом 6 на фотоприемнике 8. Диафрагма 7 формирует уг- ловое поле зрения объектива 6.

Минимальный угол рассеяния 9 ,цйн (фиг.З) определяется положением приеного устройства 2, когда край поля зрения находится рядом с выходным окном излучателя 1. Если приемное устройство 2 поворачивается еще немного против часовой стрелки, то в поле зрения попадает поверхность выходного окна источника 1, которая яв ляется источником световой помехи. Если уменьшить диаметр объектива 6, то минимальный угол уменьшается, но при этом пропорционально квадрату отношения диаметров уменьшается и чувствительность нефелометра. Введенные светозащитные экраны 3 и 4 (фиг.1) установлены таким образом, что они перекрывают ту часть поля зрения, которая направлена на выход- нее окно источника 1, т.е. уменьща- ет размер действующего отверстия объектива 6, что позволяет уменьшить минимальный угол рассеяния. Вследствие перекрытия поля зрения чувстви- тельность нефелометра для угла б цц уменынаетси. При повороте зеркала 5 по часонс1 1 стре. гке степень пеоекры- тия уменьпметг.я, и чувствительность

4

нефелометра увеличивается, что компенсирует уменьшение интенсивности рассеяния, свойственное почти всем аэрозолям.

Описанная схема нефелометра и взаимодействие его частей способствуют уменьшению минимального угла рассеяния и уменьшению динамического диапазона рассеянного излучения, поступающего на фотоприемник, что способствует увеличению динамического диапазона плотностей аэрозолей, измеряемых нефелометром.

На схеме расположения экранов 3 и 4 (фиг.4) оптическая ось источника зондирующего излучения обозначена как и OHI оптическая ось приемного устройства Ор On, прямая, соединяющая рабочую кромку второго экрана 4 и ближний к оптической оси источника Oj,0j, край входного окна приемного устройства 2, - ВВ; прямая, проходяая через кромку второго экрана 4 параллельно оптической оси источника ()цОи АА.

Зависимости, определяющие положел ние экранов 3 и 4, вытекают из следующего. Известны следующие величины (фиг.З): расстояние L от выходного окна ,источника 1 зондирующего излучения до приемного устройства 2; размер D выходного окна источника в плоскости измерения индикатрисы рассеяния; ;минимальный угол рассеяния, измеряемый нефелометром & длин ; размер S - расстояние между линиями АА и ВВ в плоскости установки экрана 4; размер b - расстояние от оптической оси источника до ближнего края входного окна приемного устройства 2.

Расстояние

D

2

tgS

мин

Расстояние

1 L-1, L .-х

tg бдАИН

Расстояние между экранямц 3 и 4 обозначают а. угол межл,у П11ямьгии АА и ВВ обозначен о, . Тог дл tgoc О/а и

. , b -и/2

tg Т,--

откуда.

b -Г- 572

Размер О зависит от конструктивных и технологических сособенностей нефелометра - от жесткости конструкции, от (Габаритов, от точности юстировки оптических элементов, от условий эксплуатации.Размер b зависит от того, какую часть светового отверстия приемиого устройства 2 можно перекрыть экранами 3 и 4.

Рабочая кромка экрана 4 является источником рассеянного света. Рассеяный свет, который мог бы попасть в приемное устройство, распространяется в конусе, огра ниченном пунктир- ньми линиями ВВ и СС. Экран 3 эти лучи перекрывает. Если рабочая кромка экрана 3 ниже линии ВВ, то в приемное устройство попадает рассеянный свет, если кромка оказьшается выше линии АА, то она попадает в зондирующий пучок и становится источником рассеянного света. Оптимальным является положение кромки посередине между линиями АА и ВВ, что соответствует расстоянию от оптической оси источника

D 5 D li. 2 2 2

Техническая эффективность нефелометра по сравнению с известньм проиллюстрирована на примерах. Пусть размеры известного нефелометра те же, что и предлагаемого. Минимальный угол рассеяния для известного 8°30 . В предлагаемом нефелометре при проведении измерения минимальный угол рассеяния равен 4°50 , при этом чувствительность уменьшена в 8 раз, что компенсирует увеличение интенсивности рассеяния на этом угле. При повороте зеркала 5 действующее отверстие ектива 6 увеличивается, соответственно увеличивается чувствительность нефелометра и, начиная с угла 15 , светозащитные экраны 3 и 4 перестают перекрывать световое отверстие объектива 6.

Если в известном получить м «и- мальный угол рассеяния 4 50 за счет уменьшения диаметров источника и объектива, то чувствительность нефелометра уменьшена для всех углов

10

16912

рассеяния в 9,7 раза. Уменьшение диаметров приводит ,также к уменьшению рассеивающих объемов, как след- f ствие - к 1гвеличению ошибок, обуслог- ленных неоднородностью плотности и структуры аэрозоля.

Использование в предлагаемой оп- тической схеме нефелометра двух и более светозащитных экранов обеспечивает по сравнению с известным увеличение диапазона измеряемых углов рассеяния за счет уменьшения ми-, низального угла рассеяния и расширение динамического диапазона измеряе- мьгх плотностей аэрозолей за счет уменьшения динамического диапазоня рассеянного излучения, поступающего на фотоприемник.

Фо, рмула изобретения

Нефелометр для измерения индикатрисы рассеяния аэрозолей, содержащий источник зондирующего излучения, оптически связанный через рассеивающий объем с приемным устройством, состоящим из последовательно расположенных по ходу оптического излучения зеркала, объектива, раздвижной диафрагмы поля зрения и фотоприемника, механизм вращения, кинематически связанный с зеркалом и раздвижной диафрагмой и датчик углового положения, кинематически связанный с зеркалом, при этом зеркало установлено под углом 45 к оптической оси объектива, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона измеряемых углов рассеяния с одновременньм расширением диапазона измеряемых плотностей аэрозолей, между зеркалом и источником зондирующего излучения установлены не менее двух светозащитных экранов, перекрьшающих часть светового -отверстия приемного устройства, при этом первый экран установлен на расстоянии 1 от приемного устройства, равном S

, - -::ь

tg0MHH

где D - размер выходного окна источника зондирующего излучения В плоскости измерения индикатрисы рассеяния; эмпирическая величина, равная расстоянию между прямой.

S .

проведенной через кромку второго экрана параллельно оптической оси источника,и прямой, соединяющей кромку ..второго экрана и ближний к оптической оси источника край входного окна приемного устройства, в плоскости . установки первого экрана, при этом величина о находится в диапазоне значений от 0,0005 L до 0,od5 ,L ; L - расстояние от источника до

приемного устройства;

0 мин минималвйый регистрируемый угол рассеяния,

причем рабочая кромка первого экрана обращенная в сторону оптической оси источника, расположена на расстоянии

(D -)/2 от нее, .-апвторой экран расположен между первьм экраном и источником на расстоянии а от первого экрана, равном

ffl

к Ъ-S- -)

где Ь - эмпирическая величина, равная расстоянию от оптической оси источника до ближнего к ней края входного окна приемного устройства, лежащая в диапазоне значений от 0,005 L до 0,05 L,

при этом рабочая кромка второго эkpa- на параллельна рабочей кромке первого экрана и расположена на расстоянии D/2 от оптической оси источника.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в метеорологии при исследовании атмосферных аэрозолей. Цель изобретения - увеличение диапазона измеряемых углов рассеяния с одновременным расширением динамического диапазона измеряемых плотностей аэрозолей. Нефелометр содержит источник зондирующего излучения, приемное устройство, которое состоит из зеркала и фотоприемника, причем зеркало наклонено на 45° к оптической оси объектива и вращается вокруг нее посредством механизма вращения и датчика углового положения. Новым является установка двух светозащитных экранов, расположенных между источником излучения и зеркалом таким образом, что они перекрывают часть действующего светового отверстия объектива для малых углов рассеяния, при этом один из экранов находится в геометрической тени другого экрана. Это позволяет увеличить диапазон измеряемых углов рассеяния в сторону малых углов. Чувствительность нефелометра уменьшается для минимального угла рассеяния. При повороте зеркала в сторону больших углов рассеяния перекрытие светового отверстия экранами уменьшается до нуля, что компенсирует уменьшение интенсивности рассеяния. Это способствует уменьшению динамического диапазона входных сигналов и соответственному увеличению динамического диапазона измеряемых плотностей аэрозолей. 4 ил.

Фиг. 2

Он

Фиг It