Нефелометр для измерения индикатрисы рессеяния аэрозолей Советский патент 1991 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к технике определения параметров аэрозолей оптическими методами и может быть использовано в метеорологии для исследования атмосферных аэрозолей.

Целью изобретения является снижение энергопотребления, габаритов и массы путем сокращения числа источников излучения и увеличение чувствительности за счет расширения спектральной полосы зондирующих пучков, предназначенных для измерения рассеяния в области углов, для которых

интенсивность расселния мала, и за счет использования пучков с разной расходимостью.

На чертеже представлена блок-схема нефелометра для измерения индикатрисы рассеяния аэрозролей.

Нефелометр с четырьмя зондирующими пучками состоит из зондирующего блока 1 и приемного устройства 2, оптически сопряженных между собой через рассеивающий объем. Блок 1 состоит из источника 3 излучения, зеркал 4 и конденсаторов 5 располоOs00

4

ON СО

кринмх вокруг источника 3 излучения так, что оптические оси конденсоров 5 параллельны и лежат в плоскости измерения ин- дикдтрисы рассеян ч я Каждый из конденсоров 5 снабжен лотосовым светофильтром 6 и затвором 7. В состав нефелометра входят также блок 8 питания, механизм 9 вращения приемного устройства, датчик 10 у1лового положения приемного устройства и последовательно соединенные с датчиком блок 11 программирования и блок 12 управления, к выходам которого подключены затворы 7 Блок 8 питания осуществляет питание источника 3.

В качестве источника 3 излучения может использоваться галогенная лампа КГМ12-100. Тело свечения лампы представляет собой плоскую спираль с размерами 4x2 мм и толщиной 1 мм. В этом случае лампа 3 ориентирована так, что плоскость спирали расположена перпендикулярно оптическим осям конденсоров 5. Размер спирали (4 мм) определяет расходимость зондирующих пучков в плоскости измерения индикатрисы рассеяния. Расходимость зондирующих пучков выбирается, исходя из предполагаемого хода индикатрис рассеяния. Для известной индикатрисы рассеяния (полидисперсные водные облака) в диапазоне углов рассеяния 2-5° интенсивность рассеяния изменяется в 100-300 раз, поэтому для этих углов расходимость зондирующего пучка 13 выбрана равной 17 (в плоскости измерения индикатрисы), чему соответствует фокусное расстояние 200 мм и размер теле свечения 1 мм. Для углов 80-130° интенсивность рассеяния в 10 раз меньше и почти не зависит от угла, поэтому для пучка 14 расходимость выбрана равной 11 °20 , чему соответствует фокусное расстояние 20 мм при размере тела свечения 4 мм. Расходимости пучков 15 и 16 выбраны 52 и 3° (фокусы 65 и 75 мм. размеры тела свечения 1 и 4 мм) Таким образом, по мере увеличения расстояния от приёмного устройства 2 до оп ческой оси конденсора 5 расходимость зондирующего пучка увеличивается, соответственно увеличивается мощность пучка.

Зеркала 4 расположены вокруг источника 3 излучения так, чтобы они не экранировали световые пучки конденсоров 5, те. обеспечивали максимальный угол охвата источника 3 излучения при выбранных фо кусных расстояниях конденсоров 5

Полосовые светофильтры 6 определяют спектральную ширину изпучрнин зондирую щего пучка Ширина полосы пропускания спетойильтрое /в личипа и i чо мере УРР

личения расстояния от приемною устройства 2 до оптической оси конденсора (зонди- рую цего пучка) Спектральная ширина зондирующего пучка 13 равна 10 им, пучка

15 20 нм, пучка 16 50 им и пучка 14 100 нм. Пропорционально ширине пучка изменяется мощность зондирующего пучка. Сэедняя длина волны пропускания всех полосовых светофильтров 6 одинаковая и

0 определяется фотоприемником и распределением мощности излучения источника по спектру. В случае использования фотоумножителя с мультищелочным фотокэто- дом средняя длина волны равна 600 нм.

5Нефелометр работает следующим образом.

Датчик 10 углового положения при вращении приемного устройства 2 механизмом 9 вращения вырабатывает угловые метки.

0 поступающие в блок 11 программирования, где метки считываются и определяется угловое положение приемного устройства 2 В соответствии с программой, заложенной в блок 11 программирования, в зависимости

5 от угла поворота приемного устройства 7. в лючаются и выключаются зондирующие пучки с помощью блока 12 управления и затворов 7 Для малых углов рассеяния, где интенсивность рассеяния сильно зависит от

0 угла, включается зондирующий пучок 13, имеющий минимальную расходимость. Минимальная расходимость излучения позво- лчет увеличить точность измерения индикатрисы, так как на малых углах рас5 сеяния рассеивающий объем имеет максимальную величину и интенсивность рассеяния велика При этом уменьшение мощности зондирующего пучка вследствие уменьшения расходимости излучения не

С у удшает чувствительности нефелометра в целом. При увеличении угла рассеяния рассеивающий объем уменьшается, интенсивность рассеяния также уменьшается, одновременно становится менее сильной

5 зависимость интенсивности рассеяния от у|ла. Поэтому, чтобы компенсировать уменьшение сигнала, включается зондирующий пучок 15 с большей расходимостью, большей спектральной полосой и, следова0 тельно, большей мощностью. При этом уве- пичивается также и рассеивающий объем Т.зким образом, последовательно включа кнся и затем выключаются все четыре зондирующих пучка Угла, на которых пучки включаются или выключаются, зависят от

5 предполагаемой индикатрисы рассеяния из меряемых аэрозолей. Программируя блок 1 программирования можно оптимизм pi сзгь чувствительность нефелометра для о jHfctv типоватрозолеи

Индикатрисы рассеяния аэрозолей зависят от длины волны зондирующего излучения, поэтому каждый конденсор снабжен полосовым светофильтром, выделяющим из сплошного спектра лампы спек- тральную полосу требуемой ширины. Известно, что рассеяние на малых углах сильнее зависит от длины волны зондирующего излучения, а на углах около 90° эта зависимость слабее, Это обстоятельство по- зволяет еще больше увеличить чувствительность нефелометра для углов рассеяния около 90°, используя полосовые светофильтры с разной спектральной шириной (при этом средняя длина волны светофильтров одинакова). При увеличении расстояния от приемного устройства до зондирующего пучка полоса пропускания соответствующего светофильтра увеличивается и соответственно увеличивается мощность пучка, при этом увеличивается рассеянный аэрозолем поток, попадающий в приемное устройство.

За счет сокращения числа источников излучения и блоков питания в нефелометре уменьшаются энергопотребление, габариты и масса, при этом использование зондирующих пучков с разной расходимостью излучения и разной спектральной шириной позволяет увеличить чувствительность не- фелометра для тех углов, где интенсивность рассеяния мала. В качестве источника излучения, излучающего во все стороны, можно использовать лампы накаливания, импульсные лампы, дуговые лампы и т.д.

П р и м е р . В схеме (см. чертеж) использована лампа КГМ12х100 с размером свечения 4x2x1 мм. Фокусные расстояния конденсоров равны 20; 65; 75 и 200 мм, световые отверстия по 20 мм, при этом расходимость пучков равна 11°20 : 3°; 53 и 17 . Угол охвата изменяется от 53° до 5°43 . Световой поток, излучаемый каждым конденсором, пропорционален произведению S Sin а , где S - площадь тела счечения источника; а- половина угла охвата. Тогда потоки излучения для пучков в относительных единицах равны 0,005; 0,046; 0,14 и 1,6. Соотношение потоков равно 1:320. При од- повременной работе всех четырех конденсоров суммарный поток рянрм 1.8 отн.ед. Если спектральная ширина пуп-л с фокусом 200 мм равна 10 нм, а о фокусом 20 мм - 10 нм, то тогда соотношение плнно 1:3200, и, при однонр менно . р;1 л.-- псех

конденсоров можно получить соотношение потоков около 1:3400.

Такм образом, изобретение позволяет увеличить чувствительность нефелометра для углов около 90° в 3400 раз и более (для достижения такого же эффекта в прототипе потребовалось бы установить 3400 источников излучения с конденсорами и блоками питания, что нереально). Увеличение чувствительности в предлагаемом нефелометре получают при сокращении числа источников излучения и числа блоков питания, при этом увеличен суммарный угол охвата источника излучения, что позволяет снизить энергоемкость, его габариты и массу.

Формула изобретения

1.Нефелометр для измерения индикатрисы рассеяния аэрозолей, содержащий зондирующий блок, включающий источник излучения, соединенный с блоком питания, не менее чем два конденсора, снабженное механизмом вращения приемное устройство, оптически связанное с зондирующим блоком через рассеивающий объем и кинематически связанное с датчиком углового положения приемного устройства, последовательно соединенные с датчиком углового положения блок программирования и блок управления, выходы которого соединены с зондирующим блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, снижения энерогопотребления. габаритов и массы нефелометра, зондирующий блок дополнительно содержит п-1, где п - число конденсоров, оптических элементов, изменяющих направление оптических осей конденсоров так, что все оси конденсоров лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостью измерения индикатрисы рассеяния, все конденсоры оптически связаны с источником излучения, каждый конденсор снабжен затвором, соединенным с блоком управления, и полосовым светофильтром, причем полоса пропускания светофильтров монотонно увеличивается с ростом расстояния от приемного устройства до оси соответствующего конденсора, при этом средние длины волн пропускания фильтров одинаковы.

2.Нефелометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью повышения чувствительности, угловые размеры источника излучения в поле зрения каждого кондонсора монотонно увеличиваются с ростом расстояния от приемного устройства до оси соответствующего конденсора.

Изобретение относит с технике определения характеристик рзрозолей оптическими методами и может быть использовано в метеорологии. Цель изобретения уменьшение энергопотребления,габаритов имьс сы путем сокращения числг источников излучения и увеличение чувствительности путем формирования зондирующих пучков с разной расходимостью и разной спектральной шириной. Нефелометр содержит зондирующий блок, приемное устройство, механизм вращения, датчик угпового положения и последовательно соединенные с датчиком блоки программирования и управления Зондирующий блок состоит из источника излучения и расположенных вокруг него зеркал и конденсоров так. чго оптические си конденсоров параллельны и лежат в плоскости измерения индикатрисы рассеяния. Каждый конденсор снабжен затвором, соединенным с блоком управления и попо- совым :вегпфилы ом Нефелометр обеспе- чивает псл/ченио нескг.иьких зондирующих пучков от одного источника излучения и одновременное фгрМИрОГ с5Н.4 } ЗОНДИРУЮЩИХ пучкоч с разной олсхо ту гостью и разной спектральной шириной. При этим чем больше расстояние 0( приемного v;тро ства до зондирующего пучкз тем больше ею расходимость и спектральная ширина При измерении индикатрисы для ртзных углов рассеяния включаются разные зондирующие пучки. Включение и выключение пуч КОР производится с помощью блока программирования, блока управления и затворов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё