Оптический способ дистанционного измерения размеров частиц в аэрозольных облаках

Авторы патента:

G01N15/02 - определение размеров частиц или распределения их по размерам (G01N 15/04,G01N 15/10 имеют преимущество; путем измерения осмотического давления G01N 7/10; путем фильтрации B01D; путем просеивания B07B)

Владельцы патента RU 2598776:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения размеров частиц в аэрозольных облаках, и может быть использовано в целях охраны окружающей среды и маскировочных мероприятий. Оптический способ дистанционного измерения радиусов частиц в аэрозольных облаках заключается в том, что в течение времени существования аэрозольного облака, когда оно еще регистрируется на фоне неба, с использованием цифрового видеорегистратора измеряют оптическую плотность облака. Далее вычисляют нормированную оптическую плотность облака, которая уменьшается за счет выпадения сначала частиц больших радиусов. Затем измеряют среднюю высоту аэрозольного облака, рассчитывают промежутки времени, за которые в выбранных градациях выпадают частицы соответствующих радиусов, и распределение аэрозольных частиц по размерам определяют по попаданию точки пересечения линий времени выпадения частиц и нормированной оптической плотности облака в ту или иную градацию на номограмме. Техническим результатом является дистанционное определение закона распределения частиц по размерам в аэрозольных облаках в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. 1 табл., 1 ил.

Известные оптические способы определения размеров аэрозольных частиц основаны на решении задач поглощения и рассеяния электромагнитного излучения на частицах различных размеров [Шифрин К.С, Раскин В.Ф. Спектральная прозрачность и обратная задача теории рассеяния. Оптика и спектроскопия. 1961, т. 11, №2, с. 268-271]. На этом принципе предложен ряд способов и устройств определения размеров аэрозольных частиц при использовании как белого света, так и монохроматического излучения, например [Патент RU 2098794 С1, 10.12.1997, МПК ⁶ G01N 15/02; Патент RU 2235990 С1, 10.09.2004, МПК ⁷ G01N 15/02; Патент RU 2123176 С1, 10.12.1998, МПК ⁶ G01N 21/25; Патент RU 2239173 С1, 27.10.2004, МПК ⁷ G01N 15/02].

Общим недостатком известных способов является отсутствие дистанционности при определении размеров частиц в аэрозольных облаках. Т.е. из облака отбирают пробу, которую затем помещают в устройство определения размеров аэрозолей, принцип работы которого основан на взаимодействии оптического излучения с аэрозолями.

Отбор проб не всегда технически возможен и экономически обоснован. Результаты анализа получаются не в реальном масштабе времени. Кроме того, при взрывных работах и пылении, создаваемом при движении тяжелой техники, наблюдается быстрое выпадение крупнодисперсных аэрозолей и поэтому оптические характеристики облака быстро изменяются. Т.е. вышеуказанные способы можно использовать, если облако состоит из мелкодисперсных аэрозолей, с длительным временем их существования в воздухе.

Дистанционность достигается за счет измерения оптического излучения, рассеянного аэрозольным облаком. Поскольку размеры аэрозолей, образующихся при взрывах и пылении, не менее единиц микрометров, то для решения поставленной задачи - дистанционного измерения размеров частиц в реальном масштабе времени целесообразно использовать видимую часть оптического диапазона без активной подсветки облака.

Известна зависимость оптической плотности аэрозольного облака от распределения частиц в нем, по концентрациям и размерам [В.Е. Зуев, М.В. Кабанов. Оптика атмосферного аэрозоля, М.: Гидрометеоиздат, 1987].

Основной трудностью, препятствующей реализации предлагаемого способа прототипа, является многопараметричность задачи, т.к. оптическая плотность облака зависит от начальной концентрации аэрозольных частиц, распределения этих частиц по размерам, а также от времени выпадения частиц из облака. Для практической реализации способа на первом этапе необходимо создать математическую модель, устраняющую вышеуказанную неопределенность.

Согласно теории объемного рассеяния Ми для частиц, размер которых много больше длины волны видимого излучения, объемный коэффициент рассеяния определяется выражением

где N₀ - число частиц в единице объема рассеивающего облака, R_cp - усредненный радиус частиц. Объем частицы . Среднее число частиц в облаке обозначим как N. Тогда и предыдущее выражение можно записать следующим образом:

Оптическая плотность облака, зафиксированная на видеоносителе, например, с использованием цифровой видеокамеры

где P_i - повторяемость градаций частиц в их законе распределения по размерам.

Введем понятие нормированной оптической плотности облака Q(t)/Q_max. Здесь Q_max - максимальная оптическая плотность облака в начальный момент времени, когда выпадение частиц из облака еще не происходило. Отношение Q(t)/Q_max уже не зависит от начальной концентрации аэрозолей. Т.е. нормированная оптическая плотность облака зависит только от распределения частиц по размерам и времени и определяется временем осаждения аэрозольных частиц.

На выпадающую частицу действуют две силы: 1) сила тяжести , где ρ - плотность частицы, R - ее радиус; 2) сила сопротивления при движении в вязкой среде. В случае стационарного облака и ламинарного движения сферической частицы эта сила является силой Стокса , где η - коэффициент динамической вязкости воздуха, υ - скорость движения частицы. Тогда движение падающей частицы описывается дифференциальным уравнением

где - характеристический параметр движения частицы.

Решением уравнения (4) является следующее выражение:

Движение частицы происходит с переменным ускорением. Но при b≥4 частицы практически мгновенно достигают скорости равномерного движения υ₀=g/b.

Интегрирование уравнения (5) определяет путь H, проходимый аэрозольной частицей за время t.

Соответственно из уравнения (6) можно определить время t₀ осаждения частиц с радиусом R₀ с высоты Н₀ до момента падения на Землю. Т.е. за время t₀ выпадают частицы с радиусами R≥R₀, и соответственно уменьшается оптическая плотность облака.

Измеряя среднюю высоту аэрозольного облака [Михеев С.В. Исследование оптико-электронной системы контроля положения объекта методом триангуляции. Дис. канд. тех. наук. 2007. Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики. 124 с.], можно вычислить время выпадения частиц различных размеров и плотности. На фиг. 1 представлена номограмма, связывающая время выпадения частиц различных размеров и нормированную оптическую плотность облака, при его средней высоте 50 м. При радиусе частиц R≥300 мкм они падают практически свободно, не зависимо от их плотности. При меньших размерах время выпадения зависит от плотности частиц, что отражено на номограмме в виде двух ветвей, когда плотность изменяются от 1,5·10³ кг/м³ - частицы почвы, до 11·10³ кг/м³ - частицы тяжелых металлов. Средний радиус аэрозольной частицы определяется по попаданию точки пересечения линий времени выпадения и оптической плотности облака в ту или иную градацию.

Техническим результатом изобретения является дистанционное определение закона распределения частиц по размерам в аэрозольных облаках в оптическом диапазоне электромагнитного спектра.

Указанный технический результат достигается тем, что в течение времени существования аэрозольного облака, с использованием цифрового видеорегистратора измеряют оптическую плотность облака, вычисляют нормированную оптическую плотность облака, измеряют среднюю высоту аэрозольного облака, рассчитывают промежутки времени, за которые в выбранных градациях выпадают частицы соответствующих радиусов, и распределение аэрозольных частиц по размерам определяют по попаданию точки пересечения линий времени выпадения частиц и нормированной оптической плотности облака в ту или иную градацию на номограмме.

В качестве примера рассмотрим процесс выпадения частиц гранита с плотностью ρ=2,5·10³ кг/м³ из аэрозольного облака, образовывающегося при буровзрывных работах. Высота облака Н₀=50 м. Грансостав выпавших частиц определялся методом осаждения в жидкости. В таблице приведены усредненные размеры выпавших частиц по девяти градациям, а также их повторяемости Р. Мелкодисперсная взвесь с радиусом R≤3 мкм образовывалась при бурении. Оставшиеся 88% частиц образовались при взрыве. По уравнению (5) определено время осаждения t₀ частиц в воздухе по всем градациям. Для этих же градаций в таблице приведена нормированная оптическая плотность облака Q/Q_max, определенная по результатам цифровой видеосъемки. Для частиц с радиусами меньшими 3 мкм, оптическая плотность облака сравнивалась с фоном неба и не регистрировалась.

На фиг. 1 показаны экспериментальные точки пересечения линии времени выпадения частиц гранита, присутствующих в облаке и его нормированной оптической плотности. Как видно из фиг. 1 - получено хорошее совпадение экспериментально измеренных радиусов частиц, выпавших из облака, и оценок их радиусов по номограмме, что подтверждает достоверность результатов, полученных с использованием предложенного способа.

Таким образом, измеряя высоту и нормированную оптическую плотность облака и вычисляя время выпадения аэрозольных частиц заданных размеров и плотности, можно по номограмме дистанционно определить закон распределения частиц по размерам в аэрозольных облаках.

Оптический способ дистанционного измерения радиусов частиц в аэрозольных облаках, основанный на обработке оптического излучения, рассеянного аэрозолями облака, отличающийся тем, что в течение времени существования аэрозольного облака измеряют оптическую плотность облака, вычисляют нормированную оптическую плотность облака, измеряют среднюю высоту аэрозольного облака, рассчитывают промежутки времени, за которые в выбранных градациях выпадают частицы соответствующих радиусов, и распределение аэрозольных частиц по размерам определяют по попаданию точки пересечения линий времени выпадения частиц и нормированной оптической плотности облака в ту или иную градацию на номограмме.

Изобретение относится к области исследования частиц с помощью ИК спектроскопии, в частности к методам экспресс-анализа полимерных композитов. В способе определения ориентации анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы при выполнении условия |nМ-nН|>0, где nМ и nН - показатели преломления матрицы и наполнителя соответственно, производится регистрация ИК спектров пропускания при облучении композитов под разными углами источником ИК излучения.

Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами // 2583351

Изобретение относится к технике измерений, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами включает зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного и ультразвукового излучения, регистрацию рассеянного и отраженного дисперсными частицами излучения, эталонный канал с чистым моторным маслом и два канала контроля в исследуемом объеме картера двигателя.

Устройство анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами // 2583344

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла.

Способ дистанционного контроля размеров тонкодисперсных аэрозолей стойких токсичных химикатов при возникновении запроектных аварий на химически опасных объектах // 2578105

Изобретение относится к области оптических методов измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред и может быть использовано при разработке лидарных комплексов для дистанционного контроля дисперсного состава аэрозольных облаков стойких токсичных химикатов (ТХ) при возникновении запроектных аварий в местах хранения и уничтожения химического оружия (УХО) и на других химически опасных объектах.

Устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока // 2572291

Изобретение относится к устройствам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля аварийных выбросов.

Способ определения размера капель в аэрозоле // 2569926

Изобретение относится к исследованию аэрозолей жидкостей различной вязкости и предназначено для определения дисперсных характеристик аэрозоля в широком диапазоне размеров частиц, в том числе нанометров.

Способ оценки фрактографических характеристик изломов образца в процессе испытаний на ударный изгиб // 2568075

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств сталей и сварных соединений и может применяться в различных отраслях промышленности. Сущность: по окончании процесса воздействия на образец ударным изгибом предварительно готовят микрошлиф образца.

Способ измерения концентрации частиц аэрозоля и устройство для его осуществления // 2563762

Предложенный способ позволяет измерять распределение по фракциям и концентрации твердых и жидких частиц аэрозоля в интервале размеров частиц: от 0,8 мкм до 2 мкм, от 2 мкм до 5 мкм, от 5 мкм до 10 мкм и более 10 мкм при помощи полупроводниковых кондуктометрических сенсоров по изменению проводимости.

Способ определения полей числовой концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке и устройство для его реализации // 2562153

Изобретение относится к области исследования многофазных потоков, в частности к технике определения параметров твердой, жидкой и газообразной фаз потока оптическими средствами, и может быть использовано для определения концентрации и массовой плотности дисперсной фазы в пространстве, а также оценивать распределение частиц дисперсной фазы по размерам и ослабление света в мутной среде.

Способ мультиспектральной визуализации и устройство для измерения критического размера наноструктур // 2560245

Изобретение относится к области полупроводниковых технологий и более конкретно к способу мультиспектральной визуализации для измерения критического размера (КР) наноструктурированных объектов и к устройству, в котором осуществляется данный способ.

Ик спектроскопический способ определения анизометрии частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы // 2600516

Изобретение относится к области исследования частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы с помощью ИК спектроскопии, в частности к методам экспресс-анализа анизометрии полимерных композитов методом Фурье-ИК спектроскопии. ИК спектроскопический способ определения анизометрии частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы заключается в последовательной регистрации ИК спектров пропускания образцов, состоящих из полимерной матрицы и наполнителя, причем , где nМ и nН - соответственно показатели преломления матрицы и наполнителя, при повороте образца во фронтальной и/или поперечной плоскостях. Преобразование полученных спектров в кривые распределения частиц наполнителя по размерам и идентификация их экстремумов позволяет определить анизометрию частиц наполнителя в полимерной матрице. Техническим результатом является разработка ИК спектроскопического экспресс-способа определения анизометрии частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы. 13 ил., 1 табл.

Способ определения дисперсного состава аэрозоля // 2607050

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения дисперсионного состава аэрозоля. При проведении измерений поляризованное излучение разделяют и одну из частей отклоняют и измеряют. Другую часть поляризованного излучения направляют на области, не пропускающие направленное поляризованное излучение, фокусируют излучение в счетном объеме, находящемся перед одной из областей, и измеряют излучение за этой областью, пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме. По измеренному излучению определяют размер частиц аэрозоля в счетном объеме. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Способ определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости // 2611694

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости. Способ определения диаметра частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости, включающий в себя этапы, на которых осуществляют измерения при различных значениях внешнего магнитного поля, при этом измеряют вязкое трение, а диаметр частиц и объемную долю твердой фазы магнитной жидкости рассчитывают путем нахождения минимума функционала где Нi– значения напряженности магнитного поля, – значения вязкого трения, определенные экспериментально, – зависимость вязкого трения от параметров магнитной жидкости и напряженности магнитного поля; d –диаметр частиц, φ – объемная доля твёрдой фазы; α и β – числовые коэффициенты. Технический результат – сокращение времени измерений. 2 ил.

Способ аспирационной оптической спектрометрии аэрозоля // 2618597

Изобретение относится к области метеорологии. Способ аспирационной оптической спектрометрии аэрозоля включает направление поляризованного излучения на задерживающую область, перед которой его экранируют. Направленное излучение фокусируют в счетном объеме, находящемся перед экраном, и измеряют излучение за областью, задерживающей направленное поляризованное излучение и пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме. Размер частицы дисперсной среды в счетном объеме определяют по измеренному излучению. Технический результат заключается в повышении точности определения дисперсного состава аэрозоля. 1 ил.

Способ автоматического анализа состава пульпы в операциях измельчения и флотации и устройство для его осуществления // 2619400

Способ предназначен для автоматического анализа состава пульпы в операциях измельчения и флотации при обогащении полезных ископаемых и может быть использован для контроля состава гетерофазных потоков в химии и металлургии. Осуществляют отбор из потока пульпы и подсушивание до заданной стабильной влажности пробы твердой фазы пульпы на фильтрующей поверхности под воздействием перепада давления, создаваемого путем подведения вакуума. Осажденную на фильтрующей поверхности пробу твердой фазы механически перемещают к анализатору состава и проводят рентгенофлюоресцентный анализ элементного состава пробы твердой фазы пульпы. Дополнительно визиометрическим анализом цветовых характеристик анализируется минеральный состав пробы. Дополнительно проводится анализ ионного состава жидкой фазы пульпы. Устройство для осуществления способа включает пробоотборное приспособление в виде полой емкости с перфорированной фильтрующей поверхностью и полого штока, комбинированный вакуумно-нагнетательный насос, сообщенный через ресивер и золотник с полым штоком, цилиндр с серво- или пневмоприводом для возвратно-поступательного перемещения пробоотборного приспособления. Дополнительно устройство оснащено визиометрическим анализатором цветовых характеристик пробы и потенциометрическим датчиком рН жидкой фазы пульпы. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения вещественного состава пробы, сокращение времени анализа, уменьшение продолжительности профилактических работ, а также расширение функциональных возможностей за счет анализа минерального состава твердой фазы пробы и ионного состава жидкой фазы. 2 н. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Способ анализа взвешенных частиц // 2622494

Изобретение относится к способам анализа. Способ состоит в том, что поток частиц освещают световым пучком и регистрируют изображение частиц, по которым и судят о размерах и формах частиц. Световой пучок после прохождения потока разворачивают по отношению к исходному пучку и вновь пропускают через поток, где регистрация изображения частиц происходит с трех углов светового потока. Cветовой пучок при помощи полупрозрачного зеркала, зеркала и объектива дополнительно направляется в счетный объем, и с помощью полупрозрачного эллиптического зеркала, объектива, диафрагмы и фотоэлектронного умножителя регистрируются рассеянные частицами световые импульсы, а прямой световой поток поглощается ловушкой света, отражаясь от зеркала. Технический результат состоит в существенном повышении информативности данных для оценки формы и размера частиц. 1 ил.

Способ ранней диагностики заболеваний путем оптического измерения физических характеристик нативной биологической жидкости // 2622761

Изобретение относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использовано для исследования физических характеристик нативной биологической жидкости (НБЖ). Для этого через ее анализируемый образец, помещенный в прозрачную кювету, пропускают зондирующий лазерный луч оптического диапазона (ЗЛОД), измеряют характеристики рассеяния ЗЛОД на микро- и наночастицах (МЧ и НЧ) НБЖ с помощью одного матричного фотоприемника (МФП) для получения информации о характеристиках малоуглового динамического рассеяния указанного луча МЧ и по меньшей мере одного одноэлементного фотоприемника (ОЭФП), расположенного в диапазоне углов 30°…150° для получения информации о характеристиках излучения, рассеянного НЧ. Результаты измерений направляют в компьютер для математической обработки (МО). После изучения полученных результатов МО на образец НБЖ оказывают внешнее воздействие, вызывающее изменение флуктуационных характеристик рассеянной мощности, уточняющих или дополняющих после повторных оптических измерений ранее полученные характеристики. Изобретение обеспечивает повышение диагностической информативности исследования характеристик и состояния субмикронных частиц при оптическом анализе методом динамического рассеяния на указанных частицах лазерного излучения в образце нативной биологической жидкости. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 пр.

Система гранулометрического анализа жидких дисперсных сред // 2626381

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения гранулометрического состава жидких дисперсных сред в химической, лакокрасочной промышленностях, в биологии, экологии и других областях науки, связанных с определением размера взвешенных частиц. Заявленная система гранулометрического анализа жидких дисперсных сред содержит источник светового излучения, фотокамеру и нейросетевой блок. Исследуемый материал поступает из технологического резервуара 1 в проточную измерительную камеру 3, куда вводится зондирующий коллимированный световой луч, при этом картина рассеянного средой излучения снимается цифровой фотокамерой 10. В модуле выборки признаков 11 производится отбор необходимых для нейросетевого преобразования данных в нейросетевом блоке 12. Обучающий вектор подается в блок 12 с блока объективного анализа 14, основанном на седиментометрическом или микроскопическом методе гранулометрического анализа. Обучение нейросетевого блока происходит при начальной градуировке, а также в случаях, когда картина рассеяния света сильно отличается от уже известных. Описанная система способна выполнять экспресс-анализ в поточных условиях и обладает повышенной метрологической надежностью за счет периодической калибровки и дообучения системы в процессе работы. Технический результат - повышение точности и метрологической надежности системы экспрессного определения гранулометрического состава за счет периодической автоматической калибровки и дообучения системы в процессе работы. 1 ил.

Оптико-электронное устройство контроля взвешенных частиц // 2626750

Использование относится к области измерений, связанной с анализом взвешенных частиц. Устройство анализа взвешенных частиц включает источник лазерного излучения, системы объективов и зеркал, где световой пучок разворачивают равномерно под углом к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц и регистрация изображений частицы происходит с трех углов светового потока. При этом в плоскость регистрации эти изображения переносятся объективом видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, а для повышения точности измерения устройство дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, зеркало, полупрозрачное эллиптическое зеркало, объектив с зеркалом, диафрагму, ловушку света, фотоэлектронный умножитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, подключенный к компьютеру, два цифро-аналоговых преобразователя, подключенных к компьютеру, и два усилителя мощности соответственно для управления лазером и вентилятором, матрицу ПЗС (вместо видеокамеры), к которой подключен усилитель, аналого-цифровой преобразователь, DSP-процессор, при этом к компьютеру также подключены жидкокристаллический индикатор и интерфейс сопряжения с внешними устройствами. Технический результат - повышение точности определения размеров вне зависимости от комплексного показателя преломления в более широком размерном диапазоне. 1 ил.

Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор // 2630447

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов. Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, включает облучение раствора с добавленными наночастицами лазерным излучением. Измерение текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния. При этом предварительно аналогичным образом получают распределение по размерам наночастиц в исходном растворе Iф(d), измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени для исходного раствора Рф и раствора с добавленными наночастицами Робр и измеряют коэффициенты пропускания на длине волны лазерного излучения для исходного раствора Тф и раствора с добавленными наночастицами Тобр. Распределение по размерам добавленных наночастиц рассчитывают как . Технический результат заключается в упрощении определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор. 3 ил.