Способ определения фазового состояния аэрозольной среды

пц 633278 ОП ИСАН И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(51) М с присоединением заявк Госудврствеииык комите Совета 3 Иииистров СССР(43) Опубликовано 30.06.7 (45) Дата опубликования делам изсбретеии и открытий исания 13. 72) Авторы изобретен А. Д. Волк 71) Заявитель ОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО СОСТОЯН АЭРОЗОЛЬНОЙ СРЕДЫ и изкаплямИзобретение относится к метеорологическим методам и способам измерения микроструктуры облаков и туманов и предназначено для использования в геофизическом приборостроении и гидрометеорологической службе.Для оценки фазового состояния облаков и измерения концентрации кристаллов льда применяют фотоэлектрический поляризационный прибор, состоящий из источника поляризованного света, приемной оптической системы для улавливания рассеиваемого облачными частицами света, двух призм Николя, с помощью которых выделяются линейно поляризованные компоненты рассеянного света, двух фотоумножителей, преобразующих световые потоки в электрические сигналы электронной схемы, с помощью которой оценивается коэффициент поляризации рассеянного частицей света, механического заборника для обеспечения движения потока облачного воздуха (аэрозоля) 11.Жидкие и кристаллические облачные элементы имеют различные в некоторых направлениях рассеяния коэффициенты поляризации, что и определяет возможность автоматической идентификации сигналов по фазовому признаку частиц.Известно устройство, реализующее способ определения фазового состояния аэрозольной среды, например облаков и туманов, основанН. Давыдов и А, И. Татаренк 2ный на облучении среды и измерении коэффициента поляризации рассеянного средо" лучения 2.Однако для того, чтобы отраженный каплями и кристаллами свет содержал информацию о фазе частицы (имел различную степень линейной поляризации), необходимо сформировать поляризованный луч в осветительной системе и освещать с помощью последнего про летающие облачные частицы. Обязательнымусловием при этом является необходимость размещения поляризованного источника света и приемной оптической части так, чтобы оптические оси обеих указанных систем были вза имно перпендикулярны. Условие перпендикулярности вытекает из известных физических предпосылок и является принципиальным.Так, например, при использовании по этой схеме неполяризованного луча в осветитель ной системе положительный эффект не можетбыть достигнут.Расположение оптических осей под углом90 является исключительно невыгодным с точки зрения светотехнических характеристик 25 устройства, Согласно современным научнымпредставлениям индикатрисса рассеяния реальных облачных капель сильно вытянута вперед.Сила света, рассеиваемого в на правлении углов, близких к 9 в сотнираз меньше соответствующей силы света углов рассеяния передней (у, и у) полусферыи в десятки относительно углов рассеяниязадней полусферы у 4 (фиг. 1). Это предопределяет применение мощных (световой потокизмеряется тысячами лм) источников света ивысокочувствительных электронных и фотоэлектрических устройств, что значительно усложняет конструкцию и схему устройства ине позволяет решить задачу одновременногоизмерения жидких и кристаллических частицв пределах реальных облачных спектров размеров.Значительно снижает светотехнические характеристики устройства необходимость формирования поляризованного луча в осветительной системе с помощью специальных устройств, которые поляризуют лишь 30, падающего на них света.Все это приводит к тому, что реально неможет быть изменена вся область спектраразмеров облачных частиц. Так, например,при использовании мощных световых потоковзначительно повышается уровень фона, обусловливаемый субмикроскопическими частицами, постоянно взвешенными в воздухе призначительных концентрациях.Особенные трудности возникают в этом случае при измерении жидких капелек, так какдля несферических частиц, к которым относятся кристаллы, индикатрисса рассеяния имеетнесколько иной вид. В частности в области углов 90 значение силы рассеиваемого света несколько больше, чем для сферических прозрачных частиц при прочих равных условиях.Таким образом, отмеченные недостатки существенно ограничивают область спектра измерения частиц и не позволяют на основе одного фотоэлектрического датчика осуществлять измерения как жидких, так и кристаллических частиц.Цель изобретения - повышение точности определения фазового состояния аэрозольнойсреды,Поставленная цель достигается тем, что попредложенному способу среду облучают неполяризованным светом, а регистрацию рассеянного излучения ведут под углом, соответствующим максимуму коэффициента поляризации для неполяризованного света.На фиг, 1 показана индикатрисса рассеяния облачной капли; на фиг. 2 дан графикзависимости коэффициента поляризации отугла рассеяния; на фиг. 3 приведены оптическая и функциональная схема устройствадля осуществления способа.В результате экспериментальных исследований с каплями облачных спектров (опытыпроводились с каплями 1 - 2 - 10 - 15 мкм, 20 -100 мкм) была уточнена зависимость коэффициента поляризации от угла рассеяния приосвещении естественным (не поляризованным)светом (фиг. 2). На кривой отмечаются двамаксимума: 30 при направлении рассеяния впереднюю полусферу и 140 при направлениибО б 5 5 10 15 20 25, 30 35 40 45 50 55 в заднюю. Максимум поляризации в направлении 140 соответствует области первичной радуги, когда поляризация определяется внутренним отражением в каплях при углах, близких к углам Брюстера. Как следует из графика значение коэффициента поляризации в этом случае достигает 677 ц.Так как применительно к облачным частицам явление радуги при указанных выше углах определяется только жидкими каплями (в практике авиационных метеорологических работ применяется оценка фазового состояний облаков на основе оптических явлений венцы), то это обстоятельство может быть использовано для автоматической идентификации фазы измеряемого облачного элемента и сепарирования сигналов по фазовому признаку при значительно лучших светотехнических характеристиках, так как в направлении первичных радуг сила света, рассеиваемого каплей, значительно выше, чем в направлении 90, а также осуществлена замена неэффективного поляризованного луча неполяризованным.Устройство содержит источник 1 света, конденсор 2, трубку 3 для движения аэрозоля, объектив 4 приемной оптической системы, светоделительную призму 5, поляроиды б и 7, фотоумножители 8 и 9, электронный узел 10 идентификации сигналов, электрическую схему 11 регистрации капель и аналогичную схему 12 регистрации кристаллов.Источник 1 света и линза 2 формируют не- поляризованный луч света, который освещает некоторую часть пространства внутри трубки 3. Облачные частицы, пролетающие через трубку, вызывают световые вспышки, улавливаемые объективом 4. Объектив 4 направляет световой поток на светоделительную призму 5, с помощью которой происходит его деление на примерно две равные части, направляемые к поляроидам 6 и 7.Поляроид б выделяет линейно-поляризованную составляющую, электрический вектор которой колеблется в плоскости наблюдения, а поляроид 7 - составляющую, электрический вектор которой колеблется перпендикулярно к плоскости наблюдения,Фотоумножители 8 и 9 преобразуют соответствующие поляризованные компоненты (в виде отдельных световых вспышек) в электрические импульсы, амплитуды которых содержат сведения о величине соответствующей поляризованной компоненты рассеянного частицей светового потока. С помощью узла 10 идентификации по каждой паре синхронных импульсов, обусловленных одной и той же частицей, оценивается коэффициент поляризации и формируется импульс идентификации в соответствии с фазой пролетевшей частицы, На основе логических схем совпадения с помощью импульсов идентификации осуществляется раздельная регистрация числа импульсов по каналу капель(схема 11 регистрации) и каналу кристаллов (схема 12 регистрации),Таким образом, по предлагаемому способу по сравнению с известным примерно на 707 о мощность светового потока, освещающего рабочую камеру, больше при использовании однотипных источников света за счет отсутствия поляризатора и в 15 - 20 раз больше уровень сигнала от капли одного и того же размера за счет использования более эффективного участка индикатриссы рассеяния,Благодаря этому повышаются светотехнические характеристики и обеспечивается возможность раздельной регистрации концентрации капель и кристаллов, а также расширяется диапазон регистрируемых частиц.11 роведенные лабораторные испытания показали, что на основе предлагаемого способа возможна раздельная регистрация концентрации облачных частиц в следующих интервалах: капли 8 - 30 мкм, кристаллы 5 - 200 мкм. 6132786 Формула изобретения Способ определения фазового состоянияаэрозольной среды, например облаков и туманов, основанный на облучении среды и измерении коэффициента поляризации рассеянного средой излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, среду облучают неполяризованным све том, а регистрацию рассеянного излучения ведут под углом, соответствующим максимуму коэффициента поляризации для неполяризованного света.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Шулейкин И. Физика моря. Изд-во АНСССР, 1959, с. 62.20 2. Авторское свидетельство СССР 344395,кл, б 01% 1/00, 1972.