Способ дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля

О П И С А Н И Е ( )911232ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Со 1 оз СоветскиаСоциапкстмческкаРеспублик1ем(5 )М. Кл. 6 01 й 15/02 Гввударстввнный квинтет СССР нв девам нзобретеннй н атврытнй(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ 2 н 1 Ио х Е Х ИИ)сН Е з,Гбо(н) дН,Но 0Изобретение относится к оптическим мето 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) заключающий. ся в том, что на выбранный участок облака10 с помощью лазера посылаются короткие импульсы зондирующего оптического излучения, принимаются и регистрируются параметры рассеянного от исследуемой среды зондирующего сигнала (временная задержка по отношению1 к посланному зондирующему импульсу, амплитуда, полчриЪация, энергия и т,д,) 11.Для получения нсобходимой информации о среднем радиусе частиц аэрозоля в объеме по параметрам принятого зондирующе 1 о сигна 20 ла используют уравнение оптической локации:.)1-=о "0 пт, 601)ЖЫ" СГ -31 где 1 - интенсивность принятого зондигрующего сигнала;о - интенсивность излучения послан.ного зондирующего сигнала;К - коэффициент пропускания приемоптно-передающей оптики;С - скорость света;т - длительность излучаемого лидаром импульса;Зо - площадь приемной оптики;Но - расстояние до облака;Н - глубина. проникновения лучав облако;о (Н) - коэффициент объемного рассеяния излучения в облаке;.Ж(Н) - значение индикатрисы рассеянияв облаке для угла л; .оо - коэффициент ослабления на трассе (до облака),Параметры 1 о, К, С, т, В- известны ло начала зондирования, 1 г, Н, Н, - измеря.азг 3 9ются в процессе зондирования Ьо 3(Н) - зада.ются априорно. Информация о средних размерах аэрозоля в облаке заключена в величинекоэффициента объемного рассеяния Ь (Н), зна.чение которого и находят с помощью уравнея (1)Для достаточно крупных аэрозольных частиц,фактор эффективности рассеяния которыхК, объемный коэффициент рассения 5 связан с геометрическим сечением аэрозоля О вединице объема следующим соотношением (дляизлучения лидара в видимом диапазоне спектра):1 Ооб = 2 й ой 1(г)бг = 20, (2)где 1(г) - функции распределения аэрозоляпо размерам;,И - концентрация аэрозоля в единицеобъема;В - размер аэрозоля.Задавая априорно распределения капель поразмерам в исследуемом облаке, можно, изме.рив о, определить н средний размер частиц воблаке путем решения обратной уравнению(2) задачи, В общем же случае однозначнойсвязи между 6 и средним размером частиц воблаке не существует.В уравнение оптической локации входитмодуль индикатрисы обратного рассеянияу(К), величина, которого в зависимости отраспределения частиц по размерам в Фкследу.емом аэродисперсном образовании может существенно меняться, при этом в той же мере,согласно уравнению лазерной локации, меняется и величинами, по которой определяют й,Кроме этого, приемно. передающая аппара.тура лидара требует абсолютной калибровки,что наряду с техническими. трудностями проведения калибровки также является источникомбольших систематических ошибок при определении среднего размера частиц в облаке.Наиболее близким техническим решениемявляется способ определении микроструктурыоблаков (в том числе и средних размеровчастиц В с помощью двухчастотного лидара),включающий облучения аэрозольной среды зондирующим лидарным излучением и регистра.цию параметров рассеянного средой зондиру.ющего излучейия 12).Сущность этого способа заключается в од.повременном измерении вектора поляризациипринятого лидаром зондирующего излучения7 и отношении коэффициентов рассеяния надвух длинах волн б /6 д, Коэффициенты 3и 6 т определяются традиционным способомс использованием уравнения лазерной лока.ции 11, Средний размер частиц в облакенаходят по величинам Р,б /( с. помощьюизвестных соотношений,4Однако этому способу присущи следующиенедостатки:Уравнения, с помощью которых полученасвязь величинб 4 бд.и Р с й выведены дляконкретного распределения частиц по разме.рам в облаке, В случае зондирования реальныхаэродисперсных сред это ведет к значительнымошибкам в определении средних раэмероаэрозоля в облаке.Кроме того, неопределенным являетсявыбор индикатрисс обратного рассеяния, спомощью которых находятся б и" Ог,Бель изобретения - повышение точностиизмерений.5 Указанная цель достигается тем, что со.гласно способу дистанционного измерениясредних размеров частиц аэрозоля, включающему облучение аэрозольной среды зонднрующим лядарным излучением и регистрацию 20 параметров рассеянного средой зондирующегоизлучения, аэрозольную среду дополнительнооблучают пучком воздействующего лазерногоизлучения с известной в каждый момент времени интенсивностью излучения на границе 25 этой среды, причем длину волны воздействующего излучения выбирают такой, что этоизлучение поглощается исследуемым аэрозо.лем, но не поглощается воздухом и парамивещества, входящего в состав аэрозоля, увелн. З 0 чивают интенсивность воздействующего излучения до момента резкого измерения параметров рассеянного зондирующего излученияи по интенсивности воздействующего излучения в момент резкого измерения параметров 3 рассеянного зондирующего излления и темпе.ратуре среды, измеренной известным способом,судят о средних размерах часпщ аэрозоля.Способ осуществляется следующим образом,Если длина волны излучения воздействующего лазера Х и размеры отдельнойвопд.аэрозольной частицы таковы, что излучениехорошо поглощается частицей, но не поглоща.ется воздухом и парами вещества; из кото.рого состоит частица (для частиц из воды 4 это выполнимо, например, для Х, = 10,6 мкмто спустя некоторое время (практически сов.падающее с временами рдзогрева частицы и:началом ее интенсивного испарения), в окрест.ности частицы возникает поле пересыщенияпара определенной конфигурации. При этом 0максимальное значение пересыщения 8,существенно зависит от температуры поверхности частицы и температуры среды, в кото.рую частица помещена.Как только максимальное значение пере.55 сьпцения при вариации й, 1 или Т.превыша.ет некоторое определенное для каждого конкретного вещества значение, в окрестностипервичной частицы в результате гомогенной59112нуклеации образуется множе.тво мелких вто.ричных частиц, располагающихся вокруг первичной в виде шарового слоя, По вариацияминтенсивности излучения, температуры средыи размера частиц вторичная гомогенная кон.денсация имеет "почти пороговый" характер,т 1 е. пои постоянстве размера частицы и температуры среды и изменяющейся интенсивности излучения до определенной интенсивностивторичного облака частиц нет, а после нее, Оза времена практически равные временамразогрева частиц, образуется такое облако,При этом, рассеиваннцие свойства аэродисперсной среды резко изменяются из.эа быстрогороста в нем концентрации частиц субмикронных и микронных размеров и как следствиеэтого изменения ряда параметров (например,амплитуда и рормы поинятого зондирующегосигнала,С пощ 4 жением температуры окружающей 20аэрозоль среды для возникновения эффектагомогенной конденсации требуются меныпиеинтенсивности воздействующего излучения.И наоборот, эффект перестает наблюдатьсяпритемпературе окружающей средыЪ 12 С, так 25как в этом случае, еще до возникновения гомогенной конденсации, происходит взрываэрозольных частиц.Для каждого конкретного вешества, изкоторого состоит частица и определенной длины волны излучения, поглощающегося веществом частицы, существует однозначная зависимостьК В = ЦТ), (3)35 Зная интенсивность воздействующего излу. ченияна границе выбранного участкапор.аэродисперсной среды, а также температуру среды Т с помощью градунровочной кривой КВ = Е(Т), 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 В.Аналогичный способ измерения возможен и при базовом методе измерения, когда приемник зондирующего излучения располагается эа азродисперсной средой, .но при малых оптических толщах среды(та1). Следует отметить, что время действия воздействующего лазера должно быть достаточным для прогре./ва частиц аэрозоля и начала их интенсивного испарения. связывающая пороговую интенсивность излученииразмер частиц В с температурой среды Т (здесь К - фактор эффективностиаэрозоля,Х(Т) - функциональная зави" симость от температуры).Эта зависимость монет быть получена с необходимой точностью заранее в лабораторних условиях.45При известной температуре среды, в которой находится аэрозольная частица, с по. мощью уравнения (3) находят величину КЙ. Для аэрозольиой частицы известного , состава и конкретной длины волны воздействующего. излучения параметр Кможет быть подсчитан с требуемой точностью с по. мощью. теории рассеяния Ми, Поэтому, зная величину КЙ можно найти и В Работают по предлагаемому способу следующим образом,На выбранный участок аэродисперсной среды (например, на облако), температура 32 6которого измерена известным способом на.правляют пучок зондирующего лидарного из.лучения и принимают рассеянное аэрозольнымн часпщами (каплями) излучение, Послерегистрации лидером первых импульсов рас.сеянного каплями, излучения выбранный учас.ток облака облучают вторым лазером, возцействующим, т,е, таким, излучение которого су.щественно изменяет температуру аэрозольныхчастиц (капель), Одновременно с этим про.должают лидарное. зондирование,Пусть расстояние до нижней траницы облака Но 1 км, мощность иэлччения воздей.ствующего СО - лазера равномерно распределены в сечении пучка излучения диаметромОо = 10 см и нарастает во времен от нулядо10 Вт, Расходимость пучка излу.чения 10 4 . В этом случае на нижней грани.це облака интенсивность воздействующегоизлучения макс постигает величины Пор=1,4 10 Вт/см в пятне диаметром 30 см.При среднем размере частиц В = 10 мкми температуре облака Т-"0 С при таких интенсивностях воздействующего излучения возникает эффект гомогенной конденсации, ко.торый может быть зафиксирован по резкомуизменению ряда параметров (например, амплитуды и формы) принятого зондирующего лидарного сигнала, обусловленному скачкообраз.ным сдвигом распределения капель по размерам в облаке в область более мелких капельи резкого возрастания концентрации частиц воблучаемой области,В то же время, если любым независимым способом измеряется средний размер частиц . аэродисперсной среды, с помощью предлага емого способа может быть определена локальная температура облучаемого участка аэроднсперсной среды,91)232 Составитель Э. СкорняковТехред 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 набд. 4/5Подписное Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Процесс измерения средних размеров час. тиц предлагаемым способом существенно уп. рощается, Л.дар в данном случае использует:я лишь как индикатор возникновения явле. ния гомогенной конденсации в облаке заФсчет нагрева частиц аэрозоля воздействующим лазером. Поэтому нет необходимости ни проводить абсолютную калибровку приемно-передающей аппаратурь 1 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 предлагаемымспособом 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 сигналуТаким образом, точность измерения средних размеров частиц предлагаемым способом воз. растает 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 эондруюшего лида раФормула изооретенияСпособ дистанционного измерения средних размеров частиц аэрозоля, включающий облу. чепце аэрозольной среды зондирующим пидарным излучением и регистрацию параметроврассеянного средой зондирующего излучения,о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, сцелью повышения точности измерения, аэро.зольную среду дополнительно облучают пучком воздействующего лазерного излучения сизвестной в каждый момент времени ингенсивностью излучения на границе этой среды,1 О причем длину волны воздействующего излу.чения выбирают такой, что это излучение по.глощается исследуемым аэрозолем, но не по.глощается воздухом и парами веществавходящего в состав аэрозоля, увеличивают интел.1 ч сивность воздействующего излучения до мо.мента резкого изменения параметров рассеянного зондирующего излучения и по интенсивности воздействующего излучения в моментрезкого изменения параметров рассеянногозондирующего излучения и температуре средь.измеренной известным способом, судят о сриних размерах частиц аэрозоля,Источники информации,25 принятые во внимание при экспертизе 1, Зуев В, Е, Лазер - метеоролог, Л., Гид.рометеойэдат, 1974, с. 12 - 40.ЗО2, Терман А. И., Захаров В. М., Тихонов А. Ии Тябатов А, Е. Исследоваиие облачных образований и подстилающей поверхности с помощью двухчастотного лидара, Труды ЦАО, М Гидрометеоиздат, 1979, вып, 138, с, 106119 (прототип) .