Способ измерения концентрации твердых аэрозольных частиц

 

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 фокальгной 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

1 (21) 2587892/18-25 (22) 03.03.78 (46) 23.06.85. Бюл. }1 23 (72) Н.Н.Белов, В.А.Иотягин. и А.Е.Негин

: ..! (53) 543.275.3 (088.8) (56) 1.Шер P., Эрган С., Хедрик А.

Приборы для научных исследований, У 9, 1973, е. 31.

2.Жупанов Ю.В., Садовский Б.Ф, Петрянов И.В. Труды ИЭИ. 14/59/82, 1976.

3.Патент США У 2851169, кл. 250-222, опублик, 23 . 1 1. 1973 . (54)(57) 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 цеМью измерения концентрации твердых тел в аэрозоле, состоящем как из твердых, так и из жидких частиц, фиксируют наличие оптического пробоя в серии импульсов инфракрасного лазерного излучения, проходящего через анализируемую среду, с дальнейшим определением веро- ятности пробоя и последующим расчетом искомой величины по формуле уй и — 7 ((g-1} (ц 5}-ggrgyq}g

1-Ю

„„SU„„705849 А

4(51) G 01 N 15/00 С 01 Н 21/00 где .п — концентрация частиц аэрозоля;

- фокусное расстояние линзы;

 — половинный угол расходимости лазерного излучения по спаду интенсивности в е раз; д — размер пятна на линзе по спаду интенсивности излучения в e раз;

Ф= — )

tleP

1 — максймальная интенсивность;

Х лазерного излучения в фо- кальной плоскости;

1qop — порог пробоя в аэрозоле;

9I — вербятность возникновения . пробоя в серии одинаковых лазерных импульсов.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что наличие оптического пробоя регистрируют по световой вспышке в фокальной области линзы.

3. Способ по п.1, о т л и ч а ю " шийся тем, что, с целью исключения влияния световых помех, оптический пробой регистрируют путем измерения ударной волны.

4. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения информативности измерения за один импульс лазерного излучения, последнее пропускают через последовательность фокусирующих и коллими-: руняцих линз.

1 7058

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к аэрозольным измерениям, и может быть использовано для дистанционно го"определения концентрации твердых аврозольных частиц в аэрозоле, со держащем -как твердые, так и жидкие частицы.

Описываемый способ измерения

" концентрации твердых аэрозольных l0 частиц может найти применение, например, для охраны окружающей .среды, " а в научно-исследовательских и производственных подразделениях для измерений запыпенности газов. 15

Известен способ определения кон центрации частиц аэрозоля, осйованный на использовании лазерного излучения. Концентрацию частиц указанным способом определяют по рассея- 2в нию лазерного излучения на аэрозоль ных частицах. Рассеянное излучение регистрируют с помощью фотоприемников (1, 2.1.

Этот способ дает возможность 25 определять концентрацию твердых и жидких частиц одновременно в смеси..

При проведении измерений необходимо производить отбор пробы аэрозоля в

"измерительную кювету, что приводит р к ошибкам при измерении концентрации за счет осаждения частиц. максимйльная концентрация аэрозольнйх частиц, измеряемая на основе фото- " элеМтрических методов, ограйжейа величиной 30 см з.

* Известен способ измерения кон - центрации аэрозольных частиц с использованием фокусироввнного лазерного излучения, согласно которому измеряют совпадения ослабления аэрозольнои частицей двух фокусированйых лазерных пучков, пересекающихся под прямым углом вблизи их фокальных точек P3). 45

Измерения производят в области пересечения фокусированных лазерных пучков. Частица, попавшая в эту область, ослабляет одноВременно два пучка. Ослабление лазерных пучков 5п регистрируют с помощью фотоприемников. Концетрацию аэрозольных частиц определяют делейием числа импульсов ослабления на величину объема воздуха или другогб:гаэоносителя частиц, 55 прошедших через область пересечения

:двух фокусированных лазерных пучков. 1

При прбведенйи измерения йроизвддйт

49 2 забор пробы аэрозоля в измерительную кювету, т.е. дистанционные измерения концентрации частиц аэрозоля невозможны, Этот способ не позволяет измерять концентрацию только твердых частиц

s аэрозоле, содержащей как твердые, так и жидкие частицы. Концентрацию частиц измеряют без разделения на твердую и жидкую фракции. Кроме того, данный способ применим для узкого диапазона размеров частиц .(0,04-0,4 мкм).

Цель изобретения — измерение концентрации .твердых частиц в аэрозоле, состоящем"как из 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 последующим расчетом искомой- величины по Формуле: д (ц 1) (с1+ )-6сн с1 (и-1) О Г 1(2 ф2 „: з д, Ф где n — концентрация частиц аэро9ОЛЯ у фокусное расстояние линзы;

О - половинный угол расходи.мости лазерного излучейия

iro спаду, интенсивности из. лучения, в е2раз;

3 - размер пятна на линзе rro спаду интенсивности излучения в е2 раз;

1 а= — — — >

Х пор

I — максимальная интенсивность лазерного излучения в фокалькой плоскости; пр - порог пробоя в аэрозоле;

Ф - вероя гнбсть возникновения пробоя в серии одинаковых лазерных импульсов.

Оптический пробой регистрируют по световой вспышке в фокальной областй линзы. Для исключения влияйия световых помех оптический пробой регистрируют путем измерения ударной волны.

С Целью увеличения информативности"измерения за один импульс последние пропускают последователь7058 (1(I,= ехр (-Vn) (,2) (2) Вероятность возникновения пробоя

Щ и вероятность Ф, отсутствия частиц в указанной фокальной области Y связаны соотношением

@0=1-щ - (3) 50

При использовании лазерного излучения со сложным распределением интенсивности излучения по радиусу луча измеряют зйвисимость U(<) и концент» 55 рацию частйц находят из соотношения " " 1о — Ж

U(a) но через фокусирующие и коллимирую-:" щие линзы.

В аэрозоль фокусируют инфракрасное излучение импульсного лазера, например СΠ— лазера, линзой с известным фокусным расстоянием, При определенной плотности энергии в фокусе линзы в аэрозоле возникает оптический пробой, который фиксируют по световой вспышке в фокальной 10 области линзы.

Плазма оптического пробоя под действием инфракрасного излучения возникает лишь при наличии источников свободных электронов, которыми 15 являются твердые аэрозольные частицы. Обнаружено, что порог пробоя не зависит от размера аэрозольных частиц в широком диапазоне размеров частиц (О, 1-20 мкм) . Попадание, по - 2О крайней мепе. одной твердой аэоо зольной частицы в область лазерного излучения, интенсивность которой превышает определенное пороговое значение Х д,, является необходимый д и достаточным условием для возникновения плазмы оптического пробоя — « при отсутствии других источников свободных электронов.

Для микросекундного излучения

C0z -лазера порог пробоя составляет

4-10 Вт/см" для широкого круга аэрозолей, Вероятность 91 возникно- вения оптического пробоя равна вероятности наличия по крайней мере од35 ной частицы в объеме U, в котором .интенсивность лазерного излучения превышает 1„, . Вероятность отсутст- - . вия аэрозольйых частиц в объеме М при концентрации частиц ц определяется из распределения Пуассона

49

Для одномодового лазерного излучения! зависимость V(a ) определяют по форз «(«)= — i t(«- l («5)-«««« q(«-<)

+ В 112 П2) о (5)

Формула (2) показывает, что при изменении концентрации аэрозоля в два раза вероятность возникновения плазмы пробоя изменяется почти на порядок величины. Это определяет высокую точность предлагаемого метода измерения концентрации частиц аэрозоля по фиксированию наличия оптического пробоя в серии одинаковых импульсов с дальнейшим разделением вероятности оптического пробоя. .Наиболее высокая точность измере- ния концентрации аэрозольных частиц достигается при.вероятности образования пробоя Щ Ф 0,.5. Если вероят .ность пробоя близка к нулю или еди нице, то для измерения значения ве.роятности пробоя с достаточной точностью необходимо проведение измерений в большей серии импульсов, !

1 чем это необходимо в случае V4 "- 0,5, Из формулы (2) следует, что при вероятности It=0,5 величина Vo

=0,7. Следовательйб; при больших

:концентрациях уменьшают фокальный объем, при малых концентрациях— увеличивают.

Изменение фокального объема позволяет измерять концентрацию частиц в широком диапазоне, по крайней мере, от 1 до 10 см . Фокальный объем изменяют с помощью сменных линз (при этом изменяется f- фокусное расстояние линзы и а -максимальная интенсивность лазерного излучения в фокальной плоскости) или с помощью ослабителя лазерного излучения (при этом изменяется величина ч )

Возникновение плазмы пробоя сопровождается интенсивной световой вспышкой в фокальной области линзы, возникновением большого количества свободных электронов, ударной волной и ослаблением лазерного излучения. Поэтому наличие оптического пробоя под действием импульса ла- зерного излучения регистрируют по наличию световой вспьппки. При значительных световых помехах оптичесS 705849 кий пробой регистрируют по наличию ", - ""энергии контролируют с помощою приударной волны оптического пробоя. емника ИМО-2, причем часть лазерноНа чертеже приведен вариант схе- го излучения направляют в ИМО-2 =йй "проведения измерения концентра- пластиной из хлористого натрия. """ "" ййй аэрозольных частиц в йотоке 5 -Экспериментально показано, что

Ъ аэрозоля.- -.. - . " порог пробоя iipàê è÷åñêè не зависит

Имйульсное инфракрасное излучение от материала и размера аэрозольных линзой 1 фокусируют в поток аэрозо- частиц. Использовались .аэрозоли, ля, который создают с помощью гене- — состоящие из кварцевых частиц (разратора 2 аэрозоля. Для регистрации. О -мером 2 и 20 мкм) из частиц корунда

10 световой вспышки применяют фотопри- (размером 1,6 и 3 мкм), из частиц емник 3. Сигнал с фотоприемника ре" окиси магния (размером О, 15 мкм) и гистрируют осциллографом 4. - " : сажевых частиц (средний размер не

При измерейии"низких коМцЫйтрй-: " поддается "определению вследствие ций аэрозольньи - частиц с целью уве- 15 mHpoKOH функции распределения и личения информатйвностй о Йаличии сложной формы частиц), оптического пробоя за один ймпульс Порог пробоя определяют по интен-гократную фокусировку одного лазер- ет световая вспышка и уменьшается ного луча в аэрозоле. Для этого ла- 2О пропускание лазерного излучения за з8рнбе изл Гчййие-йрощ сйайФ после- " "счет возййкно довательно через фокусирующие и .. Пороги пробоя" ii всех указанных

- коллимирующие линзы. Пробой фиксиру- аэрозолей оказались близкими (в пре- ют в каждой из фокальных областей делах ошибки -эксперимента) . линз вплоть до той (по ходу лазерного луча), в которой вперв% в Яан- В то же" время в аэрозолях, состоной йоследоваФелйиостй появились : ящих из капель дибутилфтолата и фосплазмы пробоя. Данйые о наличии форной кислоты (жидкие частицы), пробоя в тех фокальных-объемах пробоя не наблюдается. При наличии линз, которые расположены после. . 30 смеси жидких и твердых аэрозольных фокального объема; в котором обра- " частйц вероятность воэникновени зовалась плазма пробоя, не исполь- : оптического пробоя определяется— зуют поскольку "плазма значйч Ельно ; концентрацией твердых частиц. и

Прим KoBUeíò ацйю аэрозоля, состоящего:., "-: ной концентрацйи твбрдьХ частиц пр

"" h3 частиц"корунда- размером окЖо :" нйлйчии жиДких частиц и возможность

10 мкм. Модельный аэрозоль" из "час- . - ", проведения таких измерений в широтиц корунда создают в аэрозольной .; " Ком диапазоне размеров и материалов камере объемом 150 л м размером "- 40 аэрозольнйх частиц.:, 600 мм (высота) - 400 мм - 400 мм с . " П р "и " м e"ð 2. Проводят эксперипомощью генератора Фукса-Мурашкеви- .-." менты с измейением фокусного расстояния линз, фокусирующих импульсное

Концентрация аэрозольных час гиц :: лазерное излучение в аэрозоль. Иссоставляет 10 см и определяется 45 пользуют линзы с фокусным расстоянинавеской поройка," которая распыляет- .:. ем 50 и 100 мм. В один йбвых условия: ся генератором. В измерейййх йсполь " """ проведения эксперимента (одинаковая зуют линзы с фокусным"раСсгоянием счетная концентрация аэрозоля; энер50 мм и 100 мм. Внутри аэрозольной гия импульса излучения 0,2 Дж; дликамеры линзой фокУсйруйт""йзг9чеййе"" "50i "тй ьйость=импульса 10 с. АэроСО лазера, Энерго ЙмпульСа излу-," " йоль йз частиц корунда (при замене чения поддерживают равной 0,2 Дж,:: ", :линзы с фокусным расстоянием 50 мм длительность импульса составляла: : на линзу с фокусным расстояйием около 10 с. Энергию лазерйого им- 100 мм) наблюдается уменьшение ве туйьсЫ прошедшего аэрозоль, йзме- . 5 роятноСти отсутствия пробоя в 10 ряют приемником излучения ИМО-2 (с раз. Это cоотве гствует" изменению

= учетоМ поправки на отраженйе их йз величины фокального объема s приемного конуса) . Уровень падающей, 2 раза.

705849

1 !

CGc, rçþè reü

Редактор П.Горькова Техред МЛузьма.

Заказ 4492/2 Тираж 897 ВНИИПИ Государствеййого комитета СССР йо делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r."Óæãîðîä, ул.Проектная,4

Корректор Ж. Сирохман

» ° » аешь»е»»

Подписное юю»е»»»

Таким образом, изменение фокус- ного расстояния линзы дает возможность изменить вероятность прббоя и, следовательно„ расширить динаМический диапазон измерений счетной концентрации аэрозольных частиц.

I8

Изменение энергии ймпульса лазер-, ного излучения (с помбщью ослабителя) также приводит к изменению вероятности пробоя. При этом вероятность отсутствия пробоя изменялась в соот.,ветствии с формулой (1) °