Способ измерения показателя поглощения жидкокапельного аэрозоля

 

Изобретение относится к лазерному зондированию атмосферы, к способам определения и контроля параметров атмосферных аэрозолей, к области охраны природы и контроля загрязнений атмосферы, в частности к способам измерения показателя поглощения жидких аэрозолей. Цель изобретения - повышение точности измерений. Способ заключается в посыпке лазерного излучения в объем, содержащий исследуемый аэрозоль, приеме возникающего в исследуемом объеме акустического излучения и измерении его давления , по которому судят об искомом параметре. Новым в способе является то, что используют импульсное лазерное излучение с дпите льностью С .с , измеряют амплитуду первого пика акустического давления, а об искомом параметре судят по формуле « где а - показатель поглощения аэрозоля на длине волны лазерного излучения, Р„ - значение амплитуды давления первого пика акустического излучения. Па; Рд - начальное давление газа в исследуемом объеме. Па; начальная плотность газа, кг/м ; Qg - удельная теплота испарения вещества аэрозоля, Дне/кг; Е - плотность знерпш в тпульсе лазерного излу гения, Дж/м. В основе изобретения - впервые обнаруженный авторами эффект временной селекции акустических сигналов .от аэрозольной и газовой составляющих. 2 ил. г ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

PECflYEi/lHH

I (l9> ((1> (51) 5 G 01 N 21/59, 21/31

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 07,07.92. Бюл. К - 25 (21) 4337365/25 (22) 04. 12.87 (71) Институт оптики атмосферы

СО АН СССР (72) Ю.Э. Гейнц, А.А. Землянов, А.М. Кабанов, О,Ю. Никифорова и Ю.Н. Пономарев (53) 535 . 362 (088 . 8 ) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 841483, кл. С 01 N 21/59, 1978.

Bruce С.W., Pinnick R.G. In-situ

measurements of aегоsol absorbtion

with à resonant cu laser spectrophone. — Арр1. Opt., 1977, v. 16, Ф 7, р. 1762-1765. (54) СПОСОБ ИЗИЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПОГЛОЩЕНИЯ ЖИДКОКАПЕЛЬНОГО АЭРОЗОЛЯ (57) Изобретение относится к лазерному зондированию атмосферы, к способам определения и контроля параметров атмосферных аэрозолей, к области охраны природы и контроля saгрязнений атмосферы, в частности к способам измерения показателя поглощения кндких аэрозолей. Цель изобретения — повышение точности измерений, Способ заключается в посылке лаэерИзобретение относится к лазерному зондированию атмосферы, к способам определения н контроля параме1 ров атмосферных аэрозолей, к области охраны природы и контроля загрязнений атмосферы, в частности к способам измерения покаэателя поглощения жидких аэрозолей.

Целью изобретения является повьйшение точности иэыереиий. ного излучения в объем, содержащий исследуемый аэрозоль, приеме возникающего в исследуемом объеме акустического излучения и измерении его давления, по которому судят об искомом параметре. Новым в способе является то, что используют импульсное лазерное излучение с длительностью c 10 с измеряют амплитуду первого пика акустического давления, а об искомом параметре судят по формуле а P„(Qp p,/(ЄE)J, где а — показатель поглощения аэрозоля на длине

-1 волны лазерного излучения, м ; Р„ значение амплитуды давления первого пика акустического излучения, Па;

P, — начальное давление газа в исспедуемом объеме, Па; p — начальная плотность rasa, кг/м ; (е - удельная теплота испарения вещества аэрозоля, Дк/кг; E — плотность энергии в и@пульсе лазерного иэлученйя, Дк/м °

В основе изобретения — впервые обнару кенный авторами эффект временной селекции акустических сигналов .от аэрозольной и газовой составляющюс.

2 ип.

На фиг. I изображена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - график изменения со временем давления P в измерительной ячейке с газо-аэро i.i зольной смесью при ее облучении ла-т эерным импульсом с < 10 с, Е

2 Дк/см и длиной волны 10 ° 6 мкм.

На фиг. 1 представлены импульсный лазер 1, измерители 2 энергии излу3 150 чення, разделительное зеркало 3, измерительная кювета 4 с Открытыми торцами, непрерывно прокачиваемая газоаэроэольная смесь 5 (система прокачки не показана), датчик 6 давления, усилитель 7 электрического сигнала, регистрирующая и обрабатывающая система 8.

Массовая концентрация аэрозоля (вода) принималась равной реально наблюдаемым в атмосфере значениями

5. 10 г/см2 . Состав газа в .ячей-Ф ке соответствует обычному воздуху при P 1,01.10 Па и p, = 1,29 кг/м .

На фиг. 2 отдельно пунктиром нанесен ход давления P>, соответствующего аэрозольной компоненте, и PF, соответствующего газовой составляющей.

Способ основан на эффекте временной селекции акустических сигналов от аэроэольной и газовой составлякицей при их облучении коротким импульсным лазерным излучением (длительность импульса c. 10 с), т.е. наличия двух пиков в сигнале давления. Временная селекция сигналов происходит из-за более быстрого про2 есса формирования избыточного давления при поглощении излучения аэрозолем, чем газом. Можно выделить три основных механизма в гаэоэрозольной смеси:

1) поглощение излучения газом;

2) нагрев газа поглощающю2и излу.т чение частицами в результате эффектов теплопроводности и конвекции;

3) выброс частиц массы аэрозольных частиц в гаэ в результате их интенсивного испарения, что приводит к увеличению плотности газовой смеси.

Время проявления первых двух ме» ханизмов имеет один порядок (10 с)

Третий же механизм протекает значительно быстрее. Более того, он является тем более доминируищим, чем короче импульс воздействующего излучения и чем интенсивнее исларение частиц. В результате при облучении газоаэрозольной смеси импульсами г -5 излучения с длительностью « 10 с давление в ней повышается как бы в два этапа. Сначала эа время испаряется азрозольная компонента, затем за время t - 10 ." с откликается газовая, Извесгно, ято усредненное давление P н нзмс ри тел .ной ячейке (без

1707

4 звуковой составляющей), облученной излучением, может быть определено из решения системы уравнений

dP d P - Po

5 — - (i — 1) — (РП) dp

dЕ i dt «р где U — удель ная внутренняя энергия газа; — плотность газа; — показатель адиабаты газа

15 „ — время тепловой релаксации ячейки;

Р„ — атмосферное давление;

- плотность внешних тепловых источников; — время.

Авторы решили систему (1) для случая смеси (ras + жидкий аэрозоль) при наличии Фазового перехода и Короткого воздействия импульса. Из решения следует наличие двух пиков в сигнале давления, причем максимум аэроэольной составляющей давления

Р> достигается к концу импульса излучения, а, следовательно, эа времена (10 с. Максимальное значение

Р равно

F

0 (л е а

35 где а

40 — показатель поглощения аэрозоля, м ";

P, - значение амплитуды давлея ния первого пика акустического сигнала, Па

P - начальное давление rasa в ячейке, Па;

1 начальная плотность. г&

se2 Дж/кгпв

45 К вЂ” плотность энергии в юкпульсе лазерного излучения, Дж/м2 — удельная теплота испарения вещества аэрозоля, 50 Л к/м2

Способ осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от импульсного лазара 1 через разделитель ное зеркало 3 попадае в измеритель55 ную кювету 4 и на измеритель энергии излучения 2. Измерительная кювета представляет сзбой неребонансную оп» тико-акустическую ячейку с открытыми торцами, через которые кепрерыв, ЯсЕ ор (2) 20

Пример. В результате измерений получено значение Р„ = 16,5 Па (фиг. 2). Известно, что аэрозоль 25 водный с (1 " 2,5-10 Дж/кг, а дава ление окружающего воздуха Р

1,01 ° 10 Па и его плотность Р, 1,29 кг/м . Плотность энергии в импульсе излучения СО -лазера

30 (10,6 мкм) составляла Е = 2 10 Дж/м .

Подставляя эти значения в (2), получим значение показателя поглощения аэрозоля а 2,6 ° 10 м на длине волны 10,6 мкм.

Использование описанного способе измерения показателя поглощения жидкокапельного аэрозоля обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение точности измерений 40 показателя поглощения. Действительно, потери излучения на отражение и поглощенИе при прохождении кюветы, заполненной одним газом, с окнами, выполнениьаки, например, из BaF (для

5 1501

H() прокячиня» T(:я lf(< ледуемяя смесb 5 для избежания осаждения на стенках ячейки. Вози)п як1щее акустическое йзлучение приничается датчиком Ь и

5 через усилитель 7 поступает на вход регистрирующей системы R. Псследняя может представлять собой либо запоминающий осциллограф с хороппм временным рэзрешением ((10 с), либо 10 комбинированную электронно-вычислительную систему. После обработки сигнала с датчика 6, заключающейся в снятии значения амплитуды давления первого пика акустического сигнала, искомое значение показателя поглощения аэрозоля вычисляют по формуле

1де 0 а

P о

Е удельная теплота испарения вещества аэрозоля Дж/xr) начальная плотность rasa кг/м ; начальное давление rasa, Па; плотность энергии е иеазуаь се лазерного излучения, Дж/м

7(17

6 — 10, 1 мкм), с ог тя кп пк г 77 ня каждом окне. Ошибка 77. в измерении энер-, гии излучения F. согласно расчетной формуле вызовет ошибку в 147 при вычислении показателя поглощения.

Поскольку изобретением не предусмотрено исподьзоваиис дополнительной кюветы с газом, то и измерение показателя поглощения по предлагаемому способу точнее на 147.

Формула и з о б р е т е н и я

Способ измерения показателя поглощения жидкокапельного аэрозоля, заключающийся в том, что направляют

I в исследуемый объем лазерное излучение, регистрируют возникшее в ис ледуемом объеме акустическое излучение, измеряя акустическое давление, по величине которого судят о показателе поглощения жидкокапель- . ного аэрозоля, о т л и ч а ю щ и Йс я тем, что, с целью увеличения точности измерений, направляют в исследуемый объем импульсное лазерное излучение с длительностью импульса не более 10 с, измерение акустического давления проводят, регистрируя значение амплитуды Р„ давления первое го пика акустического излучения, а показатель поглощения а аэрозоля определяют из выражения а Р— -а- (м ) ор о

1501707

Фиа1

Составитель В. Калечиц

Техред И.Ходанич Корректор Т. Малей

Редактор И. Хиелинина

Заказ 2818 /ЛСП Тирав Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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