Способ определения фазового состава облачного аэрозоля и дисперсности сферических аэрозольных частиц Советский патент 1992 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к устройствам для определения и контроля фазового состава и дисперсности облачной аэрозоли, и может быть использовано, з частности, при летных и трубных испытаниях летательных аппаратов в условиях обледенения и электризации, а также в метеорологии, в биологии и химической технологии для анализа микроструктуры распыленных жидкостей и порошков и индикации наличия в аэрозоли сферических и несферических дисперсных частиц, для контроля загрязнений окружающей среды и работы пылеулавливающих установок в различных отраслях промышленности.

Известен способ для оценки фазового состояния облаков и концентрации кристаллов льда в облаках, реализованный з устройстве, по которому с помощью источника света и конденсатора формируется световой луч, освещающий световое поле оптиче- ской системы. Частицы аэрозоля, пролетающие через световое поле, обусловливают световые вспышки, улавливаемые оптической системой и направляемые ею на

светоделительную призму, которая направляет обе половины потока на призмы Нико- ля, каждая из которых настроена на пропускание одной из двух взаимно перпендикулярных компонент света. Призмы Никол я направляют выделенную часть поляризованного светового потока не катоды фотоумножителей, на выходах кодорых, возникают электрические импульсы, пропорциональные соответствующим облучающим потокам. Амплитуды импульсов сравниваются и оценивается соотношение между ними, по которому определяется фаза аэрозоли. Импульсы от капель фильтруются и нерегистрируются. По импульсам, обусловленным кристаллами, с учетом времени регистрации определяют концентрацию кристаллов льда. Недостаток этого способа невозможность измерения дисперсности аэрозолей.

Также известен способ определения размеров аэрозольных частиц, реализованный в устройстве и заключающейся в получении дифракционного образца частиц, проецирования его на фотоприемиик, соVI(Л 00

ел

стоящий из набора концентрически расположенных фотоприемных полуколец различных диаметров с общим центром, совмещенным с оптической осью прибора, преобразовании в цифровые коды аналоговых величин зарядов, накопленных в каждом из полуколец фотоприемника, передачи этих данных в ЭВМ для обработки по заданному алгоритму и отображению из цифро- печатающем устройстве. Размеры полуколец фотоприем ни.ка согласованы с факторами оптической схемы устройства таким образом, что каждое полукольцо наиболее чувствительно к одчому классу частиц (определенному диапазону диаметров частиц), Количество полуколец соответствует количеству выбранных классов частиц. Недостатками способа определения размеров аэрозольных частиц являются невозможностью проведения точных измерений диаметров каждой конкретной частицы, что объясняется низкой разрешающей способностью фотоприемника, и невозможность проведения измерений размеров частиц в трехфазных средах. Это объясняется тем, что на светочувствительные поверхности полуколец фотоприемника-кроме световой энергии дифракционного образа сферических частиц} будет попадать свет, отраженный от граней кристаллов. Таким образом, на каждом из полуколец фотоприемников будет накапливаться и суммироваться световая энергия от дифракционных образов сферических частиц и бликов от кристаллов. Ввиду случайного характера амплитуды, телесного угла и координаты бликов, света от кристаллов суммарные сигналы на полукольцах фотоприемников не представляется возможным обработать.

В качестве прототипа выбран способ определения размеров сферических аэрозольных частиц,реализованный в устройстве и заключающийся в облучении монохроматическим, коллимированным пучком света непредставительной совокупности ансамблей аэрозольных частиц, Фурье-преобразований дифракционного рассеянного света, регистрации Фурье-образов линейны-м пространственно-чувствительным фотоприемником с жестким геометрическим раствором, определении структуры пространственного оптического сигнала по аналоговым электрическим сигналам фотоприемника, обработки электрических сигналов от фотоприемника по признакам,связанным с закономерностями дифракционной картины рассеяния от единичных капель, отнесении частиц к размерным классам и циклическом повторении перечисленных операций до накопления общего количества зарегистрированных чзс- тиц, соответствующего представительной совокупности, отображении результатов измерений на устройстве регистрации.

Недостатком известного способа является снижение точности измерения дисперсности жидки-х сферических частии при наличии з исследуемой среде кристаллов льда. Снижение точности измерений пдвух0 фазных дисперсных средах ооуг. пакле но тем, что при попадании в измерительный объем некоторой совокупности сферических и кристаллических аэрозольных частиц возникает дифракционно-бликовый образ

5 данной совокупности. Обработка такого образа по известному способу значительно затрудняется из-за наложения дифракционных максимумов друг на друга,сигналы от кристаллических аэрозольных частиц

0 воспринимаются согласно алгоритму обработки, как дифракционные максимумы сферических частиц. Причем блоки от граней любого по размерам кристалла по вероятностным законам его пространственной ори5 ентац ии з измерительном объеме могут попадать на любую ячейку пространственно-чувствительного фотоприемника и. та- KHiv; образом, имитировать первый максимум дифракционного рассеяния з лю0 сом :,г.з размерных классов сферической фазы.

Целью изобретения является расширение Функциональных возможностей способа за счет распространения области

5 применения ка двухфазные дисперсные системы и ловьпление точности определения дисперсности сферических аэрозольных чаОТ:- Ц.

Поставленная цель достигается благо0 даря тому, что согласно способу определений фззоаого состава обычной аэрозоли и дисперсности сферических аэрозольных частиц, содержащем облучение мьогохрома- тическим, коллимированным пучком света

5 непредставительной совокупности аэрозольных часгиц, Фурье-преобразования дифракционно рассеянного свет, регистрацию Фурье-образов линейным простран- с т а е н н о -ч у в с г е и те я ь н ы м Ф о то п р и е м ник о м

0 с жестким геометрическим растром, определение структуры пространственного оптического сигнала по аналоговым электрическим сигналам фстоприемнмка, выделение максимумов дифракционных по5 рядков, определение координат дифракционных максимумов относительно оптической сси, из которой г.ежнт центр Ф у р ь е - п р е о б р а з о в а н и я. вы ч и с л г п и е д п а - мйтрса чзсгиц и отнесение их к рг:;мерн;.;м : ласс;5;.«. циклическое повторами пе-:;оч ,;сленных операц 1 до о j,s течип общего количества ззрегигтоир. лан -ых - u, ося вегствующегопреде.a i.e/,1 м-;

СОВОКуПИОС С Г 3 , /ruT j.OB ИЧмеоечиГ с. у - aic;nj ,je -.„ рлал г гфсДуСМОТр. i А ЮЩ ЛГ СПЛЯ -И

з,) coo/ осл тс ко одингг : rhd ,и- онны мЈъсим мсз первого порр- э ;.Р;КГ- щ/1.з елеьч и сгр--.рз ст о к,

выдало стся )ди,эиные оичные относительно ьзмгра .o npcofr Розова HC.--, чрчсимумь, по на ти - Ю ксгг -их nhA4UMpveic пр. vio ео Пач, luGor золи Т1,ерд1й срезы

з) выдр Я оте относительно иентра Cvpbp-nperf .и. максимумов, по на/ч-ч1 о которих яд ,и- оуется пригутств 0 з . хидкои о д зы

Нз фиг I показана стоуклфс: иргстрзп- tiвенного оптического с .гнь й Е, вссстз- нойпенного по аналоговым элек-сичеслип сигналам пространственно-чу стйительно- го фоюприемнч а и обусловленного циф ракционным рассеянном сеога на одиночной жидкой капле, на фиг - струк тура сигнала от кр 1стагли ес ;оГ д розольНО1 С - ЦР НТФИГ 3 - 1СХЯЗГМ- IpVKiypS ,{.,Mfii -. 0-Ь1ИКОГ 01 u O T i4cr Чг Г ) СПГ

ччла, вг с тзновлрчногс1 nv at ЛО|ОЗЬ|М лзк ри sci им ci-rn iaM.

Сущчл 1ре ;А-зч- 5иного способа с- кл о с ед/ющ

Мсьохроматическэе кс еоенгное излу- рассеянное крисгалли некими масти аэми, состоит /л чисто бликовой, оПуСловленно отражением света на гранях криозлла и дифр л цисн ,ой чо пэнеь.. Бликовая комгонентт рассзянного излучения строго направлена в пространстве м представлена в сип гле снимаемом с простоанственно-чувсгпителонсго фотоприемника в виде одичоино10 гмка. Дифракционная компонента формир/е 1- ся лишь в частном случае кристалла цияин- дри еской формы но вероятность ориентации гчписталла нормально линейке фотоприемнико невелика Длл кристаллов азвитои прос1ра С вечной конфигурации зга вероятность еще меньые Следовагелч- но, в единичных ,та/ ре-пстоашш ваияние дифракциочнсй карти1- . отдельных кристаллов будет пренебрежительно мсго.

Особенностью Фурье-преобразования оптического излучения на сферической частице является осесимметричное положение дифракционного образа (дифракционных колец) относительно оптической оси независимо от пространственного положения частиц в измерительном обьеме, Таким образом, расположенный по диаметр дифракционных колец линейный пространст- си i ,iiCTt,tieA .ный фотоприемник с / ,iM гот eroi vcv in рг тсо 1 г )рс -1э:1едо«атс ь яч- . ч -v

У ОИЧеСкИ ИМРуЛ зги1- 4, Т 5 О .. l 0 - L.M4- ЬО ГОЯЛрт SOCCiSMaB 1 j i it

С|0 ЛЬс ОгС О ЧРНИЯ i

nTH4e 4Ofo л n. ,sr N,

ЛСЦГфИГ Д-Т V4K(HN.-iPP°pB , О .О,.

цис ра1 1 с1-1. ни;1сгь .

ЧСГ i- v/й J. ЧТИ лГП/Ш уГПОГ.ЭЙ P iAv (- Ci

pp ens-v. гэ формуле ,i,

(М

где А - длина эмчы KS j ,inp,o- su ixneparopa

P -рэд/ с sт пи

0С доуой стороны, при расс отрен

оти ес - 0йс амы х стройства дгя опрвмоле чия размеров азрозогьных чгстин

sm0 ii

А

f

(2)

0

5 где N - число ячсе линейною прострз1.ст- венчо-чувствительного Лотоприсмника со- держзил хся - участке от опти -ескои оси до K0l. 1ьс мз порядка

ч|ТСрВОГО ДИфраЧ лННО(С КОЛЬ )),

Д- период uacлclлoжeн я про- CTpat-crt3e i4 э-чувствип льного линейного фотпрлсмьи с;

f-фоку ьое рассто ние рье-линзы. (1) i (2) спедуот тс 0,31 I

Р ,

к /Г

(3)

При ш ч 1змеоительнрг обьеме одиночной сфер еской иас1ицы (фиг 1) согласно предлагаемому способу оьрг/ еляют координат/ максимума оптическою сиг- нага nepBOic порядка (ч .сло ячеек линейного поостракственно-чх вотвитель- чого фотоприемника, содерхаьдеесч на ча- т оптической оси до максимума)

NAI находящегося от оти -еской оси, и координату м кслм /ма NTI, находящегося спраза ст оси Сравнмвагот ко ординаты, и ес/м N i- Nm. го to сося1 частицу к жидкий Фазы и Д1Г

MCI р иастицы в ссответствии с формулой (3) х читывая искажения кс-тура г.ифрзкц.. н- ного мак1 имумэ vi i-ca не Ффекг зности пе- оеьосаое ис ра t(onp,tevHWKu8 на oet поибороь с заррдоесй связью и BOSMOX-V/VO

инструмегПсЗ/ъ ivic пускаемую на пр1: гике Hecxo MFvoct ччгчени Мдт- iMrn в пое- делах однси-двул ячеек, дл иовт иения точности fa мет кг 1ли d вычисляют по среднему знв ) координат ма сим моз

d

1,62 -A f

(4)

NCp 5Г rAeNCp Q5(N 1+ Nni).

Такую же процедуру применяют при анализе бликового сигнала (фиг. 2). Определяют координату максимума оптического сигнала Nni, находящегося справа от оптической оси. Слева от оптической оси максимумов нет. Сравнивая полученные Результаты, приходят к заключению, что для найденной координаты Mm отсутствует симметричная координата Мд1. Следовательно, согласно предлагаемому способу обнаруженное отсутс1- парного симметричного относительно , ческой оси максимума дает осноьоиге полагать, что язрозольнчя частица отнесется к твердой фазе,

К типичному дифракционно-бликовому оптическому сигналу (фиг. 3), обусловленному рассеянию света некоторой совокупностью сфепииеских и кристаллических аэрозольных частиц, также применим предложенный способ определения фазового состава облачной аэрозоли и дисперсности сферических аэрозольных частиц. Слева от оптической оси находит максимумы с координатами NAI. . . ..., NAI. По правой группе сигналов нгходгг максимумы с коор- цинатами М m , N т , пз ,..., W m . Срзвнм- ва ют з ти два массм в з чоопди нат и о пределя ют, что Мл 1- М п I , N N по ...,4v -- N nt Для Nrt2 и ND.I пет соответствующих парных (симметрн«г:ы 0 координат. Чястици, обусловливяюн.ир С г-7четричные относительно оси 1зкск и пического сигналя относят :с жидкое фазе и по координатам максимумов определяют диаметр частиц. Частицы, обусловливающий несимметричные относительна оптической оси максимумы, относят к изеодой фазе.

Во всех сгсемэтренных случаях, дпз- мет ры , пол/ченные в одном мзмсри- /ельном акгс (с1 ене), сортируют по заданным размерным классам и ведут счет общего количества капель, до тех пор пока при последовательной обработке ряда диф- ракционио-бл швых сцен не будет зарегистрировано заранее заданное экспериментатором потребное количество капель (предоапительная совок :;н г аэрозольных чести1 ,).

Работоспособность предлагаемого способа была проверена с помощью усглсйг аа, на котором были получены и обраСотаи структуры пространственного onrMMOC tor. s сигналй, по озаннче на фчг, Ь 3. Отич,- ское излучение создзззлос импульснь,1 лазером ЛТИ 403. Луч диаметром /

формировался оптической системий и подавался в измерительный объем, по которому двигалась двухфазная дчспеосная средз. Рлосеянное аэрозольными частицами опти5 ческое излучение преобрззояалось оптическим Фурье-процессором, выполмемкым на однолинзовой системе с фокусным расстоянием 110 10 3M. в ч очное Фурье-ппеобрэзс- нание пространственною поля пуч

10 с нулезоП прострйнстве ) ой частотой I HR- дифрогиройаигюе излучение) оСрзтался фильтром на выходе Фург е-прпцпссора. Зде,;- J .e усмняалквалп коорд 1лЗ ч- о-.уз- с ВИ- РЛЬНИЙ 4 отоприер ник с жесткий i «o15 мв рическ лр растром на пепоь. прибоой с зарядовой связью типа К4Ф(ЦЛ-1) который псесбразоеывал пространственно опспре- делег ое поле оптического излучения в |.1.следоватсЛ| «ость электрических им20 путное. Пес/to усиления электрический сигна.1 подевался па ана; с о-цифровой прробраэовазель, преобразующий амплиту- А/ электрических импульсов в цифровой код. Цифровой код, соответствующий гро25 странственному распределению оптического попя, поступал в процессор ПВМ типа ДВК ЗМ si обрабатывался согласно алгоритму описанному выше. Апробация предлагаемо г способ показала его

30 yur.oep a/jbi-iocfb: БОЗМОХС О его .спользо- вчн.. ;:с пои и с -ледова ни и .:. ;.рз- с ovvrypb сдио м двухсЬазных гмсп згсны.ч Cnf ,., ,) и при исгледосзнии прозпач .ы/с ее в, с „ключснияг. сфер л-jec , к , с. ;о ал33 , ЧОСГИЦ.

ipo ,чуи(есгг;о предлохенчсгс спосс Ьг- ютс 5 простои алгооктм o6fiar r,.f Зу1с: -ричсскчх , -мас.лыч с нро- с(.о-1цувсгвмтелььчх HrfKu, m/годный для исполй. Ч в , -, ь suznoi OF ых. так и в цлфрозых t1 - -IMC; ч . ие ПрЭдгю еннсг .t icoja пае,/- С 0чмпсгь измерений и си- тлость исгользоаанин усфоисти;.,, что по -обстну 15 er iioat шению безопаснеег -поз- душных суг.ав в условиях jf .p i CHi /1 э i - ригациж

JJ u p f. у л а и з с б р с ;, , HI я Способ определения v f-oa ч о иг.

50 -юго аэрозол f. диспрог. : p - hx а осзольныу час /iu rr x.v irvv-n

i 04DKOOiV3TMl-S лМ ИЛИП.ЮОе, .сом света непь- дс едыснг

сог.окупнопи а рэзс-льнь х , Фурьеt)G преобоязочс пио дифракцигм.о .С(,еяч;т--го --.вети с регистр зцией Ф /гь. -обрела

ПЫеЙНЕ. СТВЙННС- «yU.fYB 11 -Л-,

i-ым c ornri i SMH /iKO с несшим v.e spi-.

1 4;0 М - раС.рС, ОПГеД ,/геН,1С иТ4 /5П/Оы

r.uorx t,1 itTP8H,ori оптического c/ ,w a j

аналоговым электрическим сигналам фотоприемника, выделение максимумов дифракционных порядков, определение координат дифракционных максимумов относительно оптической оси, на которой лежит центр Фурье-npe Зразпчания, вычисление диаметров , отнесение их к размерным классам, циклическое повторение перечисленных операций до накопления общего количества зарегистрированных частиц, соответствующего представительной совокупности, огоажение результатов измерений из устройстве регистрации, от л ича ю- щ и и с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей за счет рас0

5

пространения области применения на двухфазные дисперсные системы и повышения точности определения дисперсности сферических аэрозольных частиц, соотносят кооо- динаты дифракционных максимумов первого порядка, лежащих слева неправа от оптической оси, выделяют одиночные несимметричные относительно це -п па Фурье- преобразования максимумы и по их наличию индицируют присутствие в облачной аэрозоли твердой фазы, выделяют пары симметричных относительно центра Фурье- преобразования максимумов, по наличию которых индицируют присутствие в облачной аэрозоли жидкой фазы,

Использование: анализ микроструктуры распыленных жидкостей и порошксэ. контроль загрязнений среды иработь, пылеулавливающих установок. Сущность изобретения: ан.члмз симметричных и несимметричных дифракционных максимумов при освещении аэрозоля монохроматическим светом. 1 .. п. di-лы, З ил.

Я