Способ дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Со5оз Советскин

Социвпистмческмн

Республик ()))911232

i ,Ф

"" » (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.06.80 (21) 2946962/18 25 с присоединением заявки J%

/ (28) Приоритет— (5! )М. Кл.

G 01 N 15/02

Гасударственный квинтет.СССР нв девам нзовретеннй н атврытнй

Опубликовано 07.03.82. Бюллетень № 9

Дата опубликования описания 07.03.82

{53) УДК 539.215 (088.8) !

О. А. Волковицкий, Е. В. Иванов и 10.В.а олстиков::

1

5

5 (72) Авторы изобретения

Ю

1

Институт экспериментальной метеорологии (7! ) Заявитель (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ

СРЕДНИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

So

Но

Нч

Изобретение относится к оптическим мето1 дам исследования аэродисперсных образований и может быть использовано для исследования свойств облачности в метеорологии и контроля параметров аэродисперсных сред в химической технологии.

Известен дистанционный лидарный способ измерения средних размеров частиц аэрозоля в аэродисперсной среде (облаке) заключающийся в том, что на выбранный участок облака

50 с помощью лазера посылаются короткие импульсы зондирующего оптического излучения, принимаются и регистрируются параметры рассеянного от исследуемой среды зондирующего сигнала (временная задержка по отношению

15 к посланному зондирующему импульсу, амплитуда, полчризация, энергия и т,д.) (!).

Для получения нсобходимой информации о среднем радиусе частиц аэрозоля в объеме по параметрам принятого зондирующего сигна20 ла используют уравнение оптической локации: 1- о с555т 2 ()а (5()5)Ж Ы

CZ 60

-35 5

Н! Ио х (. Х (р (И)с!Н Е Г )о(!5) с!)1

55î 0 где — интенсивность принятого зондиг рующего сигнала; !о — интенсивность излучения посланного зондирующего сигнала;

К вЂ” коэффициент пропускания приемопт но-передающей оптики;

С . — скорость света; т — длительность излучаемого лидаром импульса; — площадь приемной оптики; — расстояние до облака; — глубина. проникновения луча в облако; о (Н) — коэффициент объемного рассеяния излучения в облаке; .?e(H) — значение индикатрисы рассеяния в облаке для угла л; . оо — коэффициент ослабления на трассе (до облака), Параметры I0, К„, С, т, S„- известны ло начала зондирования, !г, Н„, Н, - измеряазг

3 Q) ются в процессе зондирования ЬД (H) — задаются априорно. Информация о средних размерах аэрозоля в облаке заключена в величине коэффициента объемного рассеяния Ь(Н), значение которого и находят с помощью уравнения {1)7

Для достаточно крупных аэрозольных частиц, фактор эффективности рассеяния которых

К -2, объемный коэффициент рассения Б связан с геометрическим сечением аэрозоля 0 в единице объема следующим соотношением (для излучения лидара в видимом диапазоне спектра):

1 Оо

S = 2N f пВ f (r) dr = 20, (2)

О где f (r) — функции распределения аэрозоля по размерам; .

И вЂ” концентрация аэрозоля в единице объема;

R — размер аэрозоля.

Задавая априорно распределения капель по размерам в исследуемом облаке, можно, измерив о, определить и средний размер частиц в облаке путем решения обратной уравнению (2) задачи. В общем же случае однозначной связи между 6 и средним размером частиц в

\ облаке не существует.

В уравнение оптической локации входит модуль индикатрисы обратного рассеяния у(К), величина, которого в зависимости от распределения частиц по размерам в В сследуемом аэродисперсном образовании может существенно меняться, при этом в той же мере, согласно уравнению лазерной локации, меняется и величинами, по которой определяют Я.

Кроме этого, приемно-передающая аппаратура лидара требует абсолютной калибровки, что наряду с техническими. трудностями проведения калибровки также является источником больших систематических ошибок при определении среднего размера частиц в облаке.

Наиболее близким техническим решением является способ определении микроструктуры облаков (в том числе и средних размеров частиц R с помощью двухчастотного лидара), включающий облучения аэрозольной среды зондирующим лидарным излучением и регистрацию параметров рассеянного средой зондирующего излучейия (2) .

Сущность этого способа заключается в одновременном измерении вектора поляризации принятого лидаром зондирующего излучения и отношении коэффициентов рассеяния на двух длинах волн St jGg. Коэффициенты 5 и 6 определяются традиционным способом с использованием уравнения лазерной локации (1J. Средний размер частиц в облаке находят по величинам Р,Q

Однако этому способу присущи следующие недостатки:

Уравнения, с помощью которых получена связь величинб4 бди P c R выведены для конкретного распределения частиц по размерам в облаке. В случае зондирования реальных аэродисперсных сред это ведет к значительным ошибкам в определении средних раэмеро» аэрозоля в облаке. 0 Кроме того, неопределенным является выбор индикатрисс обратного рассеяния, с помощью которых находятся Qp и" 0, Цель изобретения — повышение точности измерений.

15 Указанная цель .достигается тем, что согласно способу дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля, включающему облучение аэрозольной среды зондиру ющим лидарным излучением и регистрацию.

20 параметров рассеянного средой зондирующего излучения, аэрозольную среду дополнительно облучают пучком воздействующего лазерного излучения с известной в каждый момент времени интенсивностью излучения на границе

25 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, увелн30 чивают интенсивность воздействующего излучения до момента резкого измерения параметров рассеянного зондирующего излучения и по интенсивности воздействующего излучения в момент резкого измерения параметров

35 рассеянного зондирующего изучения и температуре среды, измеренной известным способом, судят о средних размерах часпщ аэрозоля.

Способ осуществляется следующим образом.

Если длина волны излучения воздейству40 ющего лазера Х и размеры отдельной вопд. аэрозольиой частицы таковы, что излучение хорошо поглощается частицей, но не поглощается воздухом и парами вещества; из которого состоит частица (для частиц из воды

4 это выполнимо, например, для Х, = 10,6мкм) то спустя некоторое время (практически совпадающее с временами разогрева частицы и: началом ее интенсивного испарения), в окрестности частицы возникает поле пересыщения пара определенной конфигурации. При этом

50 максимальное значение пересыщения S существенно зависит от температуры поверхности частицы и температуры среды, в которую частица помещена.

Как только максимальное значение пересьпцения при вариации R, 1 или Т.превышает некоторое определенное для каждого конкретного вещества значение, в окрестности первичной частицы в результате гомогенной

5 9112 нуклеации образуется множе.тво мелких вторичных частиц, располагающихся вокруг riepвичной в виде шарового слоя. По вариациям интенсивности излучения, температуры среды и размера частиц вторичная гомогенная конденсация имеет "почти пороговьй" характер, т,е. пои постоянстве размера частицы и температуры среды и изменяющейся интенсивности излучения до определенной интенсивности вторичного облака частиц нет, а после нее, f0 за времена практически равные временам разогрева частиц, образуется такое облако.

При этом, рассеиваннцие свойства аэродисперс. ной среды резко изменяются из-эа быстрого роста в нем концентрации частиц субмикрон- !5 ных и микронных размеров и как следствие этого изменения ряда параметров (например. амплитуда и рормьц поинятого зондирующего сигнала.

С поннжением температуры окружающей 20 аэрозоль среды для возникновения эффекта гомогенной конденсации требуются меньшие интенсивности воздействующего излучения.

И наоборот, эффект перестает наблюдатьсяпри температуре окружающей средыъ 12 С, так как в этом случае, еще до возникновения гомогенной конденсации, происходит взрыв аэрозольных частиц.

Для каждого конкретного вешества, из которого состоит частица и определенной дли- 30 ны волны излучения, поглощающегося веществом частицы, существует однозначная зависимость !

„ К„R = f(T), (3)

Зная интенсивность воздействующего излучения на границе выбранного участка пор. аэродисперсной среды, а также температуру среды Т с помощью градунровочной кривой !

K„R = f(T), полученной заранее в лабораторных условиях для конкретного исследуемого аэрозоля (воды или другого вещества) определяют величину К В, а по ней, с помощью известных зависимостей, и величину R.

Аналогичный способ измерения возможен. и при базовом методе измерения, когда приемник зондирующего излучения располагается за азродисперсной средой,.но при малых оптических толщах среды(та- 6 1). Следует отметить, что время действия воздействующего лазера должно быть достаточным для прогре/ ва частиц аэрозоля и начала их интенсивного испарения. связывающая пороговую интенсивность излучении размер частиц и с температурой среды Т (здесь ʄ— фактор эффективности аэрозоля, f (т) — функциональная эаВИ" симость от температуры).

Эта зависимость монет быть получена с необходимой точностью заранее в лабораторних условиях.

При известной температуре среды, в icoторой находится аэрозольная частица, с помощью уравнения (3) находят величину

К R. Для аэрозольиой частицы известного . cocT&9a и конкретной длины ВОлны Воздействующего. излучения параметр К„может быть подсчитан с требуемой точностью с помощью. теории рассеяния Ми. Поэтому, зная величину K„R можно найти и R..

Работают по предлагаемому способу следующим образом.

На выбранпьй участок аэродисперсной среды (например, на облако), температура

32 6 которого измерена известным способом направляют пучок зондирующего лидарного излучения и принимают рассеянное аэрозольнымн часпщами (каплями) излучение. После регистрации лидером первых импульсов рассеянного каплями, излучения выбранный участок облака облучают вторым лазером, возцей* ствующим, т.е. таким, излучение которого существенно изменяет температуру аэрозольных частиц (капель). Одновременно с этим продолжают лидарное - зондирование.

Пусть расстояние до нижней траницы облака Но 1 км, мощность иэлччения воздействующего СΠ— лазера равномерно распределены в сечении пучка излучения диаметром

D0 = 10 см и нарастает во времен от нуля до „вЂ” 10 Вт. Расходимость пучка излучения 10 4 . В этом случае на нижней границе облака интенсивность воздействующего излучения постигает величины !„„

1,4 10 Вт/см в пятне диаметром 30 см.

При среднем размере частиц 8 = 10 мкм и температуре облака "0 С при таких интЕНСИВНОСтЯХ ВОЭДЕйетВУЮЩЕГО 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 распределения капель по размерам в облаке в область более мелких капель и резкого возрастания концентрации частиц в облучаемой области.

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 аэроднсперсной среды.

911232

Составитель Э. Скорняков

Техред Т.Маточка

Корректор Г, Огар

Редактор А. Шандор

Заказ 1105/26

Тираж 883

ВНИИПИ Госуларственндго комитета СССР, по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Процесс измерения средних размеров частиц предлагаемым способом существенно упрощается, Л.шар в данном случае использует:я лишь как индикатор возникновения явления гомогенной конденсации в облаке за

Ю счет нагрева частиц аэрозоля воздействующим лазером. Поэтому нет необходимости ни проводить абсолютную калибровку приемно-передающей аппаратурь1 лидара, ни испольэовать 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 образования в то время как при лидарном способе зондирования процесс калибровки проводится не только по посланному, но и по принятому зондирующему сигнаJPj.

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 существен. ного сокращения ряда априорно задаваемых параметров, использующихся при известных способах обработки принятого зондирующего лндара..

Формула изооретения.

Способ дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля, включающий облучение аэрозольной среды зондирующим пидар ным излучением и регистрацию параметров ряссеянного средой зондирующего излучения, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, аэрозольную среду дополнительно облучают пучком воздействующего лазерного излучения с известной в каждый момент времени ингенсивностью излучения на границе этой среды.

1Î 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 изменения параметров рассеянного зондирующего излучения и по интенсивности воздействующего излучения в момент резкого изменения параметров рассеянного зондирующего излучения и температуре средь . измеренной известным способом, судят о срси них размерах частиц аэрозоля, Источники информации, 25 принятые во внимание при экспертизе

1. Зуев В. Е, Лазер — метеоролог. Л., Гидрометеойэдат, 1974, с. 12 — 40.

ЗО

2. Терман А. И., Захаров В. М., Тихонов А. И 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) .