Способ определения концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за плоской ударной волной

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА В ПОТОКЕ ЗА ПЛОСКОЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ, заключающийся в просвечивании потока газа зондирующим пучком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волнь света и определении по ней состава газа с помощью дисперсионных соотношений для нескольких спект-. ральных интервалов, о т л и ч.а ю щи и с я тем, что, с целью повы- . шения точности определения концент- (рации, просвечивание потока газа производят наклонно под острым углом к плоскости фронта ударной волны, регистрируют интерферендионщгю картину при наклонном просвечивании потока , измеряют величины смещений интерференционных полос на фронте ударной волны непосредственно по интерференционной картине, причем количество спектральных интервалов выбирают равным числу компонентов в газовом потоке, а угол просвечивания фронта ударной волны выбирают из условия , ,, . (п - По) иго |о( I: агCS in7- , Л V VB/ ti; - 1 где и скорость фронта ударной волны; , V - скорость развертки спектра интерференционной картины; ширина невозмущенных интерференционных полос; СХ) показатели преломления газа п соответственно перед и за фронтом ударной волны; К1 R разрешающая способность ре-, гистрирующего материала; Д наименьшая длина волны света в спектре интерференционной картины.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1» 177 щ) G 01 N, 21/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

g1 ) arcsin (и — по) 0 ч-о

AV где U —.

V пипа

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 3612378/18-25 (22) 30.06 ° 83 (46) 30,06 ° 90. Бюл. В 24 (71) Институт высоких температур

АН СССР (72) А,И,Харитонов, Ю,Л,Шаров и В,С,Сухоруких (53) 536.35(088.8) (56) Долгов Савельев Г.Г. и др, О применении интерферометра Майкельсона с большими полями интерференции в исследованиях по физике плазмы ° В сб, Диагностика плазмы, -.М., Атомиздат, вып.2, 1968,.с. 3-13-.

Сухоруких В,С,, Харитонов А,И, Об улучшении метода интерференционHblx измерений, основанного HB использовании спектрографа и времен- ной развертки, Теплофизика высоких температур, 1979, т. 17, М- 2, с. 390-394. (54){57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ИОНИЗИРОВАННОГО

ГАЗА В ПОТОКЕ 3А ПЛОСКОЙ УДАРНОЙ

ВОЛНОЙ, заключающийся в просвечивании потока газа зондирующим пучком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волны света и определении по ней состава газа с.помощью днсперсионных соотношений для нескольких спект-, ральных интервалов, и т л и ч.а ю.шийся тем, что, с целью повыИзобретение относится к газовому анализу с помощью оптических средств и может быть использовано, например, для диагностики плазмы, движущейся

2 .щения точности определения концентрации, просвечивание потока газа гроизводят наклонно под острым углом к плоскости фронта ударной волны, регистрируют интерференционную картину при наклонном просвечивании потока, измеряют величины смещений интерференционных полос на фронте ударной волны непосредственно по интерференционной картине, причем количество. спектральных интервалов выбирают равным числу компонентов в газовом потоке, а угол просвечивания фронта ударной волны выбирают из ус-. ловия скорость фронта ударной волныэ скорость. развертки спектра интерференционной картины; ширина невозмущенных интер ференционных полос; показатели преломления газа .соответственно перед и за фронтом ударной волны,. разрешающая способность регистрирующего материала; наименьшая длина волны света в спектре интерференционной картины, за фронтом ударной волны в ударной трубе, Известен способ определения.концентраций компонентов ионизированiiI8I77 ного rasa в потоке, осуществляемый посредством создания интерференционного поля в белом и монохроматическом свете для разных длин волн и опре. деления смещения интерференционных полос

По ахроматической полосе, наблюдаемой на интерференционной картине в белом свете, осуществляется идентификация полос в возмущенной и невозмущенной областях газовой неоднородности, По интерференционным картинам в монохроматическом свете измеряют изменение оптической разности хода по всему исследуемому по лю и рассчитывают концентрации компонентов иониэированного газа по измеренному изменению оптической разности хода. 20

Недостатками известного способа ! ,являются ограниченный диапазон изменеI ния концентрации компонентов из-за ошибок определения порядка смещения ахроматической полосы,, При большом изменении плотности исследуемого газа ахроматическая интерференционная полоса может выйти из поля зрения, При переменной по полю плотности rasa компенсация по всему исследуемому ЗО полю становится невозможной В этом случае концентрация компонентов в различных областях исследуемого поля определяется из серии однотипных экспериментов, параме)ры потока в которых могут значительно отличаться один

35 от другого,, Наиболее близким техническим решением является способ определения концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за плоской ударной

„40 волной, заключающийся в просвечивании потока газа зондирующим пучком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волны света и определении по ней состава газа с помощью дисперсионных соотношений для нескольких спектральных интервалов, Интерференционную картину в коор динатах время длина волны света регистрируют следующим образом: при по- 50 мощи интерферометра, например интерферометра Маха-Цендера, формируют интерференционную картину rазового потока в белом свете, Световой зондирующий пучок направляют параллель- 5S но плоскости ударной волны. Интерференционную картину проецируют на плоскость входной щели спектрографа, На выходе спектрографа получают

Разложенную в спектр интерференционную картину, которую разворачивают во времени с помощью фоторегистратоРа. В результате на регистрирующем материале фоторегистратора образуется интерференционная картина в координатах время — длина волны света, В момент прохождения фронта ударнои волны через зондирующий пучок интерференционные полосы терпят разрыв, величину которого измерить непосредственно по интерферограмме не пред ставляется возможным. Расчет концент раций компонентов ионизированного га" за в потоке за ударнОй волной осуществляют с помощью дисперсионных соотношений, которые записываются в виде уравнений для нескольких значении длин волн. Количество уравнений на единицу больше количества определяемых компонентов в потоке, так как неизвестной величиной здесь является также и величина разрыва интерференционных полос на фронте ударной волны, В случае однократно ионизированного атомарного газа (например, аргока) решается система из трех уравнений, записанных для трех различных длин волн

aN+bil,М -S,h =О, И 2 6 8)Л2 ы 2 > а" + b Лз" е В,Лз = ")зЛз где Ж и Н вЂ” изменение концентрации атомов и электронов при переходе через фронт ударной волны; )2- 82 8» )З= 8 э - ) i аиЬ вЂ” постоянные известные величины;

IS,, $2, S> - смещения интерференционных полос для длин волн света Л, д, ) °

Величины с,.и сР, находятся из интер! ферограмм в координатах время - длина волны света следующим образом, я.длин волн света Д„, Л, Л и измеряют количество интерференцион ных полос до и поспе фронта ударной волны на участках A - il и Л вЂ” Л

-) 2 ) интерферограммы. Разность между количеством интерференционных полос до и после фронта ударной волны на участке )- Ь интерферограммы составляет велнчину d)2è соответственно на участке Л, - Л - Р1).!

8!77 6

1О

20 .точностью, 30 ференционные полосы l, участок 2, 35

50

55, ференционных полос на фронте ударной .волны, измеряют для стольких длин волн, сколько газовых компонентов в потоке, Угол o(наклона зондирую

I 5 ll ,Недостатком прототипа является низкая точностЬ определения концентраций компонентов газового потока, так как входящие в правые части уравнений (l.) величины ®tz и, Kt9, определяемые по интерферограмме, имеют большую относительную погрешность в .силу малости их абсолютных величин (несколько интерференционных полос).

Цель изобретения - повышение точности определения концентрации ком" понентов ионизированного газа в потоке!эа плоской ударной волной, .Поставленная цель достигается тем, что в способе определения концентрации компонентов ионизирован» ного газа в потоке за плоской ударной волной, заключающемся в просвечивании потока газа зондирующим пуч ком, регистрации интерференционной картины в координатах время - длина волны света и определении по ней состава газа с помощью дисперсионных соотношений дпя нескольких спектраль- 2 ных интервалов, просвечивание потока . газа производят наклонно под острым углом к плоскости фронта ударной волны, региствируют интерференционную картину при наклонном просвечивании потока, измеряют величины смещений интерференционных полос на фронте ударной волны непосредственно по интерференционной картине, причем количество спектральных ин тервалов выбирают равным числу ком понентов в газовом потоке, а угол просвечивания фронта ударной волны выбирают из условия (n-n,) Vq e(l 7 (2)

A V К i ; — I

1 где U скорость фронта ударной волны; 4 . V - -скорость развертки спектра интерференционной- картины; ! -.ширина невозмущенных интер-, ференционных полос; и и и - показатели преломления газа соответственно перед и.эа фронтом ударной волны;

R - разрешающая способность.регистрирующего материала;

Л - наименьшая длина волны, света в спектре интерференционной картины, При наклонном просвечивании пото» ка .под углом e(к фронту ударной вол ны интерференционные полосы на фрон те ударной волны не терпят разрыва: на интерферограмме образуется участок, в котором интерференцконные полосы переходят из невоэмущенной области в возмущенную область интерферограммы без разрыва, благодаря чему смещение интерференционных полос определяется с высокой относительной точностью, При этом правые части системы ураннений (!), число которых на единицу меньше, чем в известном способе, представляют собой произведения сме щений кнтерференционных полос на длины волн света, т,е, разность хода световых лучей, которые будут определять непосредственно по интерферограмме с высокой относительной.

На фиг,! показана схема интер ферограммы.в координатах время - длина волны света, полученная при наклонном просвечивании фронта ударной волны; на фиг,2 - .схема расположения фронта ударной волны относктель но просвечивающего пучка света, поясняющая предлагаемый способ.

Интерферограмма содержит интеробразующийся эа. счет движения фронта ударной волны прк его наклонном просвечиванки, невозмущенную область

3, область .4 ионизированного газового потока (4 - длина волны света, С - время), Фронт 5,ударной волны движется со скоростью О, вектор б скоростк фронта ударной волны,. составляет угол а к зондирующему пучку 7, сечение 8 исследуемого потока равно 1 (фиг ° 2).

Предложенный способ включает следующую последовательность опера ций, Просвечивают движущуюся ударную волну в rase наклонно зондирующим пучком под острым углом О(к плоскос ти фронта ударной волны. Получают интерферекционную картину и разлагают ее в спектр. Последний развора» чквают .во времени и регистрируют интерферограмыу в координатах время динка волны света. 1Io интерферограмме измеряют величины смещения интер! щего пучка к фронту ударной волны

1118177 задают в соответствии с соотношением (2).

Соотношение (2) получено-на осно. ве рассмотрения фиг.1 и фиг.2. Ии нимальная ширина < дрнтерференционных полос 1 на.участке 2 интерферограммы (фиг,1), которая еще будет разрешена, равна у (3)

pj. » мпя

ñ «» . (4 ) "Lp(n n ) 1о

Л сов Д

С другой стороны (см. Фиг.2), имеем, что интервал времени, в течение которого фронт 5 ударной волны, движущийся со скоростью U, просвечивается зондирующим пучком 7, состав ляет г 1oÔ .

Д,ж ыа.

U и

Умножив это время d на скорость V развертки интерференционной картины во времени, получим следующее выражение для Р

1V еаa ад м и (5) Приравнивая правые части соотношений (4) и (5), найдем значение уг ла просвечивания Ы „„, при котором интерференционные полосы в участке

2 интерферограммы еще разрешаются где Р - ширина участка 2 интерферо граммы;

$, - ширина;невозмущенных интер= ференционных полос в области 3 ннтерферограммы перед ударной волной;

N величина смещения интерференционных полос, выраженная в долях световых волн, при переходе через участок 2 интерферограммы;

R - разрешающая способность регистрирующего материала.

Принимая во внимание соотношение

NP и 1 — n1 а также то, что длина геометрического пути 1 светового пучка в исследуемом потоке при его просвечивании под углом к фронту ударной волны равна 1 = lo/ñoÿ e( (1 - сечение исследуемого потока, фиг.2), из соотношения (3) получим

q.ppU (n - no) а öäH=

Д V R q,oй 1

5 Так как. знак угла не играет роли, то .условие, необходимое для реализации предложенного способа, имеет вид (см,, соотношение .(2)).

Предложенный способ может быть реализован с помощью следующей аппаратуры: интерферометра типа Маха

Цендера,. призменного спектрографа типа ИСП-51 и скоростного фоторегистратора ждущего типа ЖФР. Интерферо метр располагается относительно ударной волны так, что его объектив:ный пучок составляет с плоскостью фронта ударной волны..угол a(. Интерференционная картина, образуемая на выходе интерферометра,. с помощью объектива проецируется на входную щель спектрографа. После спектрогра. Фа интерференционная картина, разло

25 женная в спектр, фокусируется на входную щель фоторегистратора, расположенную перпендикулярно входной щели спектрографа, Фоторегистратор осуществляет временную развертку ин терференционной картины, разложенной в спектр, на регистрирующем материале (фотопленке). В результате на фотопленке регистрируется интерференционная картина в координатах

35 время - длина волны света по кото рой измеряется смещение интерференционных полос на фронте ударной волны для различных длин волн и на основе этих смещений записываются

40 дисперсионные уравнения, из которых вычиспяются концентрации компонентов ионизированного газа в потоке за ударной волной, L

Пример, Рассмотрим исполь45 зование предложенного способа для определенИя концентрации компонентов в потоке за плоской ударной волной, распространяющейся по аргону в ударной трубе, имеющей сечение 2,7х х2 7 см ° В таком потоке присутствуют тяжелые компоненты (атомы и ионы) и электроны. Обозначим концентрацию тяжелых компонент через N > è элект- ронов через Яе, Пусть скорость удар55 ной волны U 5000 м/с начальное давление аргона в ударной трубе10 мм рт.ст., скорость развертки спектра интерференционной картины

1118

177

7 500 м/с, регистрируемый интервал спектра интерференционной картины по длинам волн — 4 10 см

-5

7 ° I O + см.

Исследовательская камера ударной 5 трубы, по которой распространяется ударная волны, помещается в рабочую ветвь интерферометра, и поток газа

:просвечивается объектным световым пучком интерферометра под углом ос

10 к фронту ударной волны. Согласно формуле (2) величина этого угла в данном конкретном случае должна быть о не менее 4 45 ° При вычислении угла

o(значение (n — n ) 33 10 опре15 делено по скорости фронта ударной волны; ширина невозмущенных интерференционных полос 1 = 1 мм, длина волны свата Л = 4 .10 см разрешаюУ 20 щая способность регистрирующего ма териапа R = 10 линий/мм выбраны в ,соответствии с экспериментом.

С помощью спектрографа и фоторегистратора на фотопленке регистри25 руется интерференционная картина в координатах время — длина волны света, По полученной интерферограмме

1 измеряется величина смещения интерференционных полос при их переходе из невоэмущенной области 3 в возмущенную область 4 (см, фиг.l) для дВух длин ВОлн Л вЂ” 7 1О см и Л -5

= 4 .10 см. Пусть определенные смещения интерференционных полос для 35 этих длин волн будут соответственно равны S = 15 и S z=- 10. На основе этих измеренньсх смещений интерференционных полос на ударной волне составляется система дисперсионных уравнений ай,1с.+ Л bN $ л е с с N „+ Л,ЬИ, = Я,Л,, (6) где а и Ъ вЂ” постоянные коэффициенты, зависящие от рода газа и размера исследуемого потока. В данном случае а = 2,82 10 ; Ъ = 3,78 1О

Решение системы дисперсионных уравнений имеет вид

8 il S Л

N е

У

Ь(h1 — л ) л,л ($, - $л„) а (Л -Л„)

Подставляя в последние формулы значе81 у 2 Л1 Л а И Ь пОЛучим искомые значения концентраций атомов (N>„) и электронов (N<): Ие 5.,2 х х10 ; N <= 30 10 . Степень иониэаи ции аргона -= — — lOO = !7 З В

Ne

11

Al рассмотренном примере погрешность уменьшается в 20 раз до 1,6 .

Способ может быть использован при газовом .анализе для определения концентрации компонентов движущихся газовых потоков, имеющих резкий пере« пад плотности. Способ может найти применение как при научных исследованиях, так и в промышленности, поскольку для его осуществления требуется аппаратура только известного типа, 1118177

Редактор Л,Письман

Техред M.Õoäàíè÷

Корректор В, Гирняк

°

Заказ 2146

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул. Гагарина, .101

ВНИИПИ Государственного

113035, Тираж 513 Подписное комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ C/CP

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5