Способ измерения концентрации твердых аэрозольных частиц Советский патент 1985 года по МПК G01N15/00 G01N21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, преймутцественно к /аэрозольным измерениям, и может быть исйЬльзьвано для дистанционно- -сгЙ грёдёлегшя кьнцентрадаи твердых а | бзЬЛбнЪгх: частиц s аэрозоле cd; Йе- ржйщейкак твердые, так и жидкие частицы.- j , .-. .. . Описьшае1МЬ1Й способ измерения концентрации твердых аэрозольньк частиц может найти применение, например, для охраны окрзгжакщей .среды а науЧН&-йсследовательских и пройзаьдственньк подразделениях для измерений запьтенности газов. Известен способ определения кон ЦёйтрацИИ частиц аэрозоля, основанньй на использовании лазерного излу чения. Концентрацию частиц указанным способом определяют по р1ассеянию лазерного излучения на аэрозоль Hbix частицах. Рассеянное излучение регистрируют с помощью фотоприемников С 2. Этот способ дает возможность определять концентрацию твердых и жидких частиц одновременно в смеси. При проведении измерений необходимо производить отбор пробы аэрозоля в измерительную кювету, что приводит к ошибкам при измерении концентрации за счет осаждения частиц. Макеимальная концентрация аэрозольньк частиц, измеряемая на основе фЪто- flMpatiHii jiMefoSciB, ъграййчена величиной Известенспособ измерения концейтраЦйи аэрозольных частиц с использованием фокусированного лазерного излучения, согласно которому измеряют совпадения ослабления аэро зольной частицей двух фокусированнШ Лазерных пучков, Пересёкавдйхся под углом вблизи их фокальньк точек ,3j. Измерения производят вобласти пересечения фокусированных лазерных пучков. Частица, попавшая в эту область. Ослабляет одновременно два пучка. Ослабление лазерных пучков регистрируют с помощью фотоприемниtcoB. Концетрацию аэрозольных частиц определяют делением числа импульсов ослабления на величину объема возду ;ха ИЛИ 1:1 дйо ттёля , прошедших через область пересечения двух фокусированных лазерньтх пучков. При 11|1 бёёдёши; измерений Й1 ШзШййт забор пробы аэрозоля в измерительную кювету, т.е. дистанционные измерения концентрации частиц аэрозоля невоз можны. Этот способ не позволяет измерять концентрацию только твердых частиц в аэрозоле, содержащей как твердые, так и жидкие частицы. Концентрацию частиц измеряют без разделения на твёрдую и жидкую фракции. Кроме того, данньй способ применим для узкого диапазона размеров частиц (0,04-0,4 мкм). Цель изобретения - измерение концентрации -твердых частиц в аэрозоле, сЬСГЬяЩём кахИз твердых так и жидких частиц. . . Для этого фиксируют наличие оптического пробоя в серии импульсов инфракрасного лазерного излучения, проходящего через анализируемую среду, с дальнейшим определением ;. вероятности оптического пробоя и пбследугацим расчётом искомой величины по Формуле: ; .,: л ...z.-,.l1/2| («-t)(c(t5 b«rci(cx-ir :.;-;::/- . (1)концентрация частиц аэрозОля; ;-;- --. ,: : .; ,-; - . V.; фокусное расстояние Линзы; половинньй угол расходи- . Мости лазерного излучейия по спаду.интенсивности излучения, в размер пятна на линзе по . спаду интенсивности излучения в IP - й1к сййайьная интенсивность , лазерного излучения в фо кальной плоскостиJ Inep - порог пробоя в аэрозоле; W - вероятность возникновения пробоя в серии одинаковых лазерных импульсов. Оптический пробой регистрируют по световой вспьппке в фокальной области линзы. Для исключения влияния световых помех оптический пробой регистрируют nyteM измерения ударной волны. С Цёльй увеличения информативности йзм(ерения за один импульс последние йропускайт последовательно через фокусирующие и коллимирующие линзы. В аэрозоль фокусируют инфракрасное излучение импульсного лазера, лазера, линзой с изнапримервестным фокусным расстоянием. При определенной плотности энергии в фокусе линзы в аэрозоле возникает оптический пробой, который фиксируют по световой вспышке в фокальной области линзы. Плазма, оптического пробоя под действием инфракрасного излучения возникает лршь при наличии истрчников свободных электронов, которыми являются твердые азрозольные частицы. Обнаружено, что порог пробоя не зависит от размера аэрозольных частиц в широком диапазоне размеров частиц (О,1-20 мкм). Попадание, rib ,крайней . одной твердой аэро-, зольной частиды в область лазерного излучения, интенсивность которой превьщает определенное пороговое значение , является необходимый и достатрчньм условием для возникновения плаз№1 оптического пробоя при отсутствии других источников cs бодных электронов. Для микросекундного излучения COj-лазера порог пробоя составляет 4-10 Вт/см для пшрокого круга аэрозолей. Вероятность W возникновения оптического пробоя равна веро ятности наличия по крайнеймере одной частицы в объеме V , S котором интенсивность лазерного излучения ; превышает 1„ср Вероятность Ьтсут Ст вия аэрозольных: частиц в объеме, V при концентрации частиц п Определя ется из распределения Пуассона -: W, exp(-V( Вероятность возникновения пробоя W и вероятность W, отсутствия частиц в указанной фокальной.области у связаны соотношением 1Три использовании лазерного излуче ния со сложньм распределением интен сивности излучения по радиусу луча измеряют з висимость V(c() и концент рацию частиц находят из соотношения -- InW-U) Для одномодового лазерного излучения зависимость VCoiJ определяют по формулеVU).il7i(«.l)4c..5)-ec.rct(Mf. °) Формула Ч2) показывает, что при изменении концентра ции аэрозоля в два раза вероятность возникновения плазмы пробоя изменяется почти на порядок величины. Это определяет высокую точность предлагаемого метода измерения концентрации ча:стиц аэрозоля по фиксированию наличия оптического пробоя в серии одинаковых импульсов с дальнейшим разделением вероятности оптического пробоя. .Наиболее высокая точность измерения концентраци:и аэрозольных частиц достигается при.вероятности образования пробоя W i0,-5. Если вероятность пробоя близка к нулю или единице, то для измерения значения ве.роятности йробоя с достаточной точ.ностью необходимо проведение измерений в большей серии импульсов, чем это необходимо в случае W ; 0,5. . N . . Из формулы (2) следует, что при вероятности ,5 величина Vn 0,7. СледовательйО,при больших ;концентрациях уменьшают фокальный объем, при мальк концентрациях увеличивают. - Изменение фокального объема позволяет измерят з концентрацию частиц в широком диапазоне, по крайней мере, от 1 до 10 см . Фокальный объем изменяют с цомощью сменных линз (при этом изменяется f- фокус-. Ное расстояние лийзы и; «-.максимальная интенсивность лазерного излучения в фокальной плоскости) или с помощью ослабителя лазерного излучения (при этом изменяется величина ч ) . . - , . . Возникновение плазмы пробоя сопровождается интенсивной световой вспьш1кой в фокальной области линзы, возникновением ббльшогО. колйчества свободных электронов, ударной волной и ослаблением лазерного излучения . Поэтому наличие оптического пробоя, под действием импульсалазерного излучения регистрируют по наличию световой вспьш1к.и. При значительнмх световых помехах оптичес$ 7 кий пробой регистрируют по наличию . ударной волны оптического пробоя. На Чертеже приведен вариант схе-Т8б1 пр оведения измерения концентра 1ЩЙ а:эрозблбКЬК- астйц в потоке аэрозоля. Импульсное инфракрасное излучени линзой 1 фокусируют в поток аэрозоля, который йоздййт с помощью генератора 2 аэрозоля. Для регистрации световой вспышки применяют фотбприемникЗ. Сигнал с фотоприемника регистрируют осциллографом 4. Пр измерении низких койц йтрацийГ аврозольйых чёстиц с целью увеличения информативности о Наличии оптического пробоя за один импульс Irfasepffdro 1Йз1У4енйя ktifoJifeSfraf Шогократную фокусирьвку одного лазерного луча 6 аэрозоле. Для этого лазерное излУчёниё пропустйаЙ ИЙгл довательно через фокусирующие и коллимируклцие линзы. Пробой фиксиру ют в каждой из фокальных областей линз вплоть до той (по ходу лазерного луча), в которой впё1) ной посЛедоваТелЬНости появил ись плазмы пробоя. ДанйЫе о наличии пробоя в тех фокальных объемах лйгнз, которые расположены после фокального объема, в котором образовалась плазма пробоя, не используют, поскольку пЛазмазначительно исключает лазерный луч. Пример 1. Измеряют счетную « --«-V 4tiB3-r v3 -Hrfr V j концентрацию аэрозоля, состоящего . йТчйС тиц корунда размером окойо 10 мкм. МоДельньй аэрозоль из тиц корунда создают в аэрозольной камере объемом 150 Ъ и ра&Мером 600 мм (высота) - 400 мм- 400 мм с помощью генератора Фукса-Мурй1№ёви - iie-f- . - -.т ча. Концентрация аэрозольных частиц составляет 10 см и определяется навеской порошка; 1соторая распыляе ся генератором. В и&йёрёнййх йс пол зуют линзы с фокусньм расстоянием 50 мм и 100 мм. Внутри аэроз.ной камеры линзой фоТйгус рукй . v. -.j.-- - - «r- CO лазера. Энергию й йyльc1f 1tt&y чтенияподдерживают равной 0,2 Дж, длительность импульса составляла около . Энергию лазерногб им гтуяьса, прощедшего аэрозольГ измеряют приемником излучения ИМ02;;;2 (с поправки на отражение и из приемного конуса). Уровень падакяце §15Гёргии контролируют с пометою приемника ЙМО-2, причем часть лазерного излучения направляют в ИМб-2 пластиной из хлористого натрия. Экспё ййён алБно показано, что порог пробоя 1трЖ сТИческИ не зависит от материала и размера аэрозольных частиц. ИсядлтьзО&алйсь .аэрозоли, с остоящие из кварцевых частиц (раз мером 2 и 20 мкм) из частиц корунда (размером 1,6 и 3 мкм), из частиц окиси магния (размером 0,15 мкм)и сажевых частиц (средний размер не йоНдаётей оПрёдёйению вследствие пшрокой функции распределения и сложной формы частиц). Порог пробоя определяют по интенсивнос й,йачиная с которой возника4т световая всйьшзка и уменьшается пропускание лазерного излучения за счёт возйикновения плазмы пробоя. . Пороги пробоя Для всех указанных аэрозолей оказались близкими (в пределах ошибки эксперимента). . I : : , В то же Бремя в аэрЮзблях, состоящйх из капель дибутилфтолата и фосфорной кислоты (жидкие частицы), пробоя не наблюдается. При наличии смеси жидкиЗ и твердых аэрозольных частиц вероятность возникновения оптического пробоя определяется концентрацией твердых частиц. Эти даИн&ёйбдтверждашт возможность сёйЖгиШШг) определения счетной концентрации Тве5|Дых частиц при наличии жиДкйх частиц и возможность проведейия таких измерений в широком диапазойе размеров и материалов аэрозольнксхг частиц. П р 2. Проводит эксперименты с изменением фокуйного расстояния линз,фокусирующих импульсное излучение в аэрозоль. Используют линзы с фокусным расстоянием 50 и 100 мм. В оДина1с5вых условия: проведения эксперимента (одинаковая счетная 1сонцёнтрация аэрозоля; энергия импульса излучения 0,2 Дж; дли ейьйост1Ь импульса -- . АэроЗоль ИЗ частиц корунда (при замене линзы с фокусным расстоянием 50 мм на линзу с фокусным расстоянием 100 мм) наблюдается уменьшение ве роятности отсутствия пробоя в 10 раз. Это соответс вуёт изменению величины фокального объема в 2 раза.

Таким образом, изменение фокус- ного расстояния линзы дает возможность изменить вероятность пробоя и, следовательно, расширить дйнаЛический диапазон измерений счетйрй . концентрации аэрозольных частиц.

7058498

Изменение энергии импульса лазернаго излучения (с помощью ослабителя) также приводит к изменению вер оят- ; ностипробоя. При этом ёероятноеть 5 отсутствия пробоя изменилась в соответствий с формулой (i).

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ с использованием фокусированного лазерного излучения, о т л и ч а ю щ и И • с я тем, что, с цеЛью измерения ' • концентрации твердых тел, в аэрозоле, состоящем как из твердых, так и из жидких частиц, фиксируют наличие оптического пробоя в серии импульсов тшфракрасного лазерного излучения, проходящего через анализируемую среду, с дальнейшим определением вероятности пробоя и последующим расчетом искомой величины по формулегдеп - концёнтра1дая частиц аэрозоля; :? - фокусное расстояние линзы;0 - половинный угол расходимости лазерного излучения по спаду интенсивности в е^раз;4 - размер пяТна на линзе по спаду интенсивности излучения ве^ раз;«=1„а.^^^9 ^в[(«-l)*'\oi^5bUrct^(a-<;«])•xin1-W•порIP- максимальная интенсивность: лазерного излучения в фо- кальгной плоскости; Inop ~ порог пробоя в аэрозоле; W - верЬятность возникновения ПробояГв серии одинаковых лазерных импульсов.2.Способ по п.1,0 т л и ч а ю - щ и и с я тем, что наличие оптического пробоя регистрируют по световой/ вспьЬлке в фокальной области линзы.3.Способ по П.1, отличающийся тем, что, с целью исклю-' чения влияния световых tioMiek, оптический пробой «регистрируют путем измерения ударной 'ВОЛНЫ.^ 4. Способ по П.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения информативности измерения за один импульс лазерного излучения, последнее пропускают через последовательность фокусирукяцих и коллими- ' рующих линз.(ЛсСП00со