Способ дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля Советский патент 1982 года по МПК G01N15/02 

(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

1

Изобретение относится к оптическим мето дам исследования аэродисперсных образований и может быть использовано для исследования свойств облачности в метеорологии к контроля параметров аэродисперсных сред в химической технологии.

Известен дистанционный лидарный способ измерения средних размеров частиц аэрозоля в азродисперсной среде (облаке) заключающийся в том, что на выбранный участок облака с помощью лазера посылаются короткие импульсы зондирующего оптического излучения, принимаются и регистрируются параметры рассеянного от исследуемой среды зондирующего сигнала (времен1ия задержка по отнои1ению к посланному зондирующему импульсу, амплитуда, поприЗация , энергия и т.д.) (1.

Для получения необходимой информации о среднем радиусе частиц аэрозоля в объеме по параметрам принятого зондирующего сигнала используют уравнение оптической локации:

СГSo

(rCH)«itCM)

г-о опт

2 ()i -ал

2

Ho

н

X e JrGCM)dH e XG-oCH)dH,

HOо

где I - интенсивность принятого зондирующего сигнала;

1о К

-интенсивность излучения посланного зондирующего сигнала;

-коэффициент пропускания приемоптно-передающей оптики;

С

-скорость света;

to

-длительность излучаемого лидатром импульса;

-площадь приемной оптики;

So HO

-расстоя1ше до облака;

-глубина, проникновения луча

5(Н)

IS в

-коэффициентобъемного рассеяния излучения в облаке;

.зе(н)

-значение индикатрисы рассеяния в облаке для угла я; .

20

5 о - коэффициент ослабления на трассе (до облака).

Параметры 1о, К, С, г. So - известны до начала зондирования. If, Нп, Н, измеряются в процессе зондирования &оЗЕ.(Н) - зада ются априорно. Информация о средних размерах аэрозоля в облаке заключена в величине коэффициента объемного рассеяния SCH), значение которого и находят с помощью ураьнеВИЯ (1)Г Для достаточно крупных аэрозольных части фактор эффективности рассеяния которых Ко- 2, объемный коэффициент рассения S свя зан с геометрическим сечением аэрозоля Q в единице объема следующим соотношением (дл излучения лидара в видимом диапазоне спектра): , 5 2N/wR f(r)dr 2Q,(2) о где f (г) - функции распределения аэрозоля по размерам; . N - концентрация аэрозоля в единице объема; R - размер аэрозоля. Задавая априорно распределения капель по размерам в исследуемом облаке, можно, изме рив 5, определить и средний размер частиц в облаке путем решения обратной уравнению (2) задачи. В общем же случае однозначной связи между О и средним размером частиц в облаке не существует. В уравнение оптической локадаи входит модуль индикатрисы обратного рассеяния (Н), величина, которого в зависимости от распределения частиц по размерам в исследуемом аэродисперсном образовании может существенно меняться, при этом в той же мере, согласно у1авнению лазерной локации, меняет ся и величинаG, по которой определяют Я. Кроме этого, приемно-передающая аппаратура лидара требует абсолютиой калибровки, что наряду с техническикш. трудаостями прове дения калибровки также является источником больших систематических ошибок при определении среднего размера частиц в Облаке. Наиболее близким техническим решением является способ определения лдакроструктуры облаков (в том числе и средних размеров частиц R с помощью двухчастотного лидара), включающий облутения аэрозольной среды зон дирующим лидарным излучением и регистрацию параметров рассеянного средой зонщрующего излучения 21. Сущность этого способа заключается в од новременном измерении Лектора поляризации принятого лидаром зондирующего излучения и отношении коэффициентов рассеяния на двух длинах волн 6ii /GS.. Коэффициенты 5i и Й2 определяются традиционным способом с использованием уравнения лазерной локации 1J. Средний размер частиц в облаке находят по величинам Р ,СХ|/( с. помощью известных соотношений. Однако этому способу присуиш следующие недостатки: Уравнения, с помоц1ью «рторых получена связь величинб1/б2.и Fc R выведены для : конкретного распределения частиц по размерам в облаке. В случае зондирования реальных аэродисперсных сред это ведет к значительным ошибкам в определении средних размере аэрозоля в облаке. Кроме того, неопределенным является выбор индикатрисе обратного рассеяния, с помощью которых находятся 0 и О . Цель изобретения - повышение точнорти измерений. Указанная цель достигается тем, что согласно способу дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля, включающему облучение аэрозольной среды зондиру ющим лидарным излучением и регистрациюпараметров рассеянного средой зондирующего излучения, аэрозольную среду дополнительно облучают пуЧком воздействующего лазерного излучения с известной в каждый момент времени интенсивностью излучения На границе этой среды, причем длину волны воздействующего излучения выбирают такой, что это излучение поглощается исследуемым аэрозолем, но не поглощается воздухом и парами вещества, входящего в состав аэрозоля, увеличивают интенсивность воздействующего излучения до момента резкого измерения пара метров рассеянного зондирующего излучения и по интенсивности воздействующего излучения в момент резкого измерения параметров рассеянного зондирующего излучения и температуре среды, измеренной известным способом, судят о средних размерах частиц аэрозоля. Способ осуществляется следующим образом. Если длина волны излучения воздействующего лазера размеры отдельной аэрозольной частицы таковьс, что излучение хорошо поглощается частицей, но не поглощается воздухом и парами вещества, из которого состоит частица (для частиц из воды это вьшолнимр, например, для ,,д 10,6 мкм} то спустя некоторое время (практически совпадающее с врр менами рязогрева частицы и. началом ее интенсивного испарения), в окрестности частицы возникает поле пересыщения пара определенной конфигурации. При этом максимальное значение пересьццения 5 существенно зависит от температуры поверхности частицы и температуры среды, в которую частица помещена. Как только максимальное значение пересыщения при вариации R, или Т превышает некоторое определенное для каждого конкретного вещества значение, в окрестности первичной частицы в результате гомогенной нуклеации образуется множество мелких вторичных частиц, располагающихся вокруг первичной в виде шарового слоя. По вариациям интенсивности излучения, температуры среды и размера частиц вторичная гомогенная конденсация имеет почти пороговый характер, . ПРИ постоянстве размера частицы и температуры среды и изменяющейся интеиоюнос ти излучения до определенной интенсивности вторичного облака чартиц нет, а после нее, за времена практически равные временам разогрева частиц, образуется такое облако. При этом, рассеиваЕощие свойства аэродисперс ной среды резко изменяются из-за быстрого роста в нем концентрации частиц субмикронных и микронных размеров и как следствие этого изменения ряда параметров (например, амплитуда и формы; поинятого зондирующег скгтт., С понихсением температуры окружаюо ей аэрозоль среды для возникновения эффекта гомогенной конденсации требуются меньшие интенсивности воздействующего излуадиия. И наоборот, эффект перестает наблюдатьсхС пр температуре окружающей среды 12 С, так как в этом случае, еще до возникновения го могенной конденса(щи, прсжсходкт взрыв аэрозольных частиц. Для каждого конкретного вещества, из которого состоит частица и определенной дли ны волны излучения,поглощающегося вещест вом частицы, существует однозначная зависимость„op.-R f(T),(3) связывающая пороговую интенсивность излучения Ijj размер частиц R с температурой среды Т (здесь К - фактор эффективноста аэрозоля, f(T)- функцко1гальн:ая зави симостъ от температуI i).. Эта зависимость может быть получена с необходимой точностью заранее в лабораторных условиях. При известной температуре среды, в которой находится аэрозолыгая частица, с помои1ью уравнения (3) находят величину Kjj R. Для аэрозольной част1{цы известного состава и конкрет(й волны воздействугощего излучения лараметр К может &jTb подсчитан с требуемой точностью с помощью теории рассеяния Ми. Поэтому, зная величину KjjR можно найти и R. Работают по пре)п(лагаемому способу следующим образом. На выбранный участок аэродисперсной среды (например, на облако), температура которого измерена известным способом направляют пучок зондирующего лидарного излучения и принимают рассеянное аэрозольными частицами (каплями) излучение. После регистрации лидаром первых импульсов рас- сеянного каплями излучениявыбранный участок обляка облучают вторым лазером, воздействующим, т.е. таким, излучение которого существенно изменяет температуру аэрозольных частиц (капель). Одновременно с этим продолжают лидарное- зондирование. Пусть расстояние до нижней границы облака HO 1 км, мощность излучения воздействующего СОз - лазера равномерно распределены в сечении пучка излучения диаметром DO 10 см и нарастает во BpcMeifH от куля до I ..,„„ - 10 Вт. Расходимость пучка излучения 10 . В этом случае на нижней границе облака интенсивность воздействующего излучения I достегает величины 1,р i 1,410 Вт/см в пятне диаметром 30 см. При среднем размере частиц R 10 мкм и температуре облака при таких интенсивностях воздействующего излучения возникает эффект гомогенной конденсации, который может быть зафиксирован по резкому изменению ряда параметров (например, амплитуды и формы) принятого зондирующего лидарного сигнала, обусловленному скачкообразным сдвигом распределе1{ия капель по размерам в облаке в область более мелких капель и резкого возрастания концентрации «шстиц в облучаемой области. Зная интенсивность воздействующего излучения I на границе выбранного участка аэродисперсной среды, а также температуру среды Т с помощью градуировочной кривой IKjjW - f(Т), полученной заранее в лабораторных условиях для конкретного исследуемого аэрозоля (воды или другого вещества) определяют величину KjjR, а по ней, с п мощью известных зависимостей, и величину R. Аналогичный спосх б измерения возможени при базовом методе измерения, когда приемник зондирующего излучения располагается за аэродисперсной средой, .но при малых оптических толщах среды(то- О- Следует отметить, что время действия воздействующего лазера должнр быть. достаточным для прогрейа частиц аэрозоля и начала их интенсивного испаршия. В то же время, если любым независимым способом измеряется средний размер частиц аэродисперсной среды, с помощью предлагаемого способа может быть определена локальная температура облучаемого участка аэродисперснрй среды.

79

Процесс измерения средних размеров частиц npeixnaiacMbiM способом существенно упрощается. Ллдар в данном случае используется лишь как индикатор возникновения явления гомогенной конденсации в облаке за счет нагрева частиц аэрозоля воздействующим лазером. Поэтому нет необходимости ни проводить абсолютную калибровку приемно-передаюшей аппаратурь лидара, ни использовать для вычислений уравнение лазерной локации (1) совместно с уравнением (2), либо ему .обратным, которые достаточно сложны и содержат много параметров.

Калибровка при проведении измерений предлагаемым способом необходима лишь для воздействующего лазера с целью определения интенсивности его излучения при разном расстоянии от лазера до облучаемого аэродисперсного образова1шя в то время как при лидарном способе зондирования процесс калибровки проводится не только по посланному, но и по принятому зондирующему сигналу.Таким образом, точность измерения средних размеров частиц предлагаемым способом возрастает как за счет уменьшения систематических ошибок, связанных с абсолютной калибровкой аппаратуры, так и за счет существенного coKpaujcHHH ряда априорно задаваемых параметров, использующихся при известных способах обработки принятого зонд1 руюшего

лидара..

Формула изоЬретения Способ дистанционного измерения средних размеров частиц азрозоля, включающий облу8

чение аэрозольной среды зондирующим ным излучением и регистрацию параметров ряссеянного средой зондирующего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, аэрозольную среду дополнительно облучают пучком воздействующего лазерного излучения с известной в каждый момент времени интенсивностью излучения на границе этой среды,

причем длину волны воздействующего излучения выбирают такой, что зто излучение поглощается исследуемым аэрюзолем, но не поглощается воздухом и парами вещества, .входящего в состав аэрозоля, увеличивают интеи

сивность воздействующего излучения до момента резкого изменения параметров рассеянного зондирующего излучения и по интенсивности воздействующего излучения в моменг резкого изменения параметров рассеянного

зондирующего излучения и температуре среды. измеренной известным способом, судят о среп них размерах частиц аэрозоля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

I

2.Терман А. И., Захаров В. М., Тихонов А. и Тябатов А. Е. Исследование облачных образований и подстилающей поверхности с помощью двухчастотного лидара. Труды ЦАО, М., Гидрометеоиздат, 1979, вып. 138, с. 106 119 (прототип).