Способ измерения концентрации твердых аэрозольных частиц

1 7058Изобретение относится к измерительнойтехнике, преимущественно каэрозольным измерениям, и можетбыть использовано для дистанционно го" определения концентрации твердыхаэрозольных частиц в аэрозоле, содержащем-как твердые, так и жидкиечастицы.Описываемый способ измерения" концентрации твердых аэрозольных 10частиц может найти применение, например, для охраны окружающей, среды," а"в научно-исследовательских и производственных подразделениях дляизмерений запыленности газов,15 Йзвестен способ определейия кой- центрацйи частиц аэрозоля, осйованный на использовании лазерного излучения. Концентрацию частиц указанным способом определяют по рассеянию лазерного излучения на аэрозольных частицах. Рассеянное излучениерегистрируют с помощью фотоприемников 1, 23.Этот способ дает возможность 25определять концентрацию твердых ижидких частицодновременно в смесиПри проведении измерений необходимопроизводить отбор пробы аэрозоля в .измерительную кювету, что приводит 5 рк ошибкам при измерении концентрации за счет осаждения частиц, Мак сйМйльная концентрация аэрозольнйхчастиц, измеряемая на основе фото-элеМтрических методов, ограйженавеличиной 10 см з.Известенспособ измерения кон" " центрации аэрозольных частиц с использованием фокусированного лазерного излучения, согласно которомуизмеряют совпадения ослабления аэро"зольнои частицей двух фокусированйых лазерных пучков, пересекающихсяпод прямым углом вблизи их фокаль- ных точек 3. 45Измерения производят в областипересечения фокусированных лазерныхпучков. Частица, попавшая в эту область, ослабляет одновременно двапучка. Ослабление лазернйх пучков 5 брегистрируют с помощью фотоприемников, Концетрацию аэрозольных частицопределяют делейием числа импульсовослабления на величину объема возду":двух фокусированных лазерных пучков. 1Припрбведенйиизмерения йроизвддйт 49 2забор пробы аэрозоля в измерительнуюкювету, т.е. дистанционные измерения концентрации частиц аэрозоляневозможны,Этот способ не позволяет измерятьконцентрацию только твердых частицв аэрозоле, содержащей как твердые,так и жидкие частицы. Концентрациючастиц измеряют без разделения натвердую и жидкую фракции. Кроме того, данный способ применим для узкого диапазона размеров частиц(Оф 04 Ое 4 мкм).Цель изобретения - измерение концентрации .твердых частиц в аэрозоле,состоящем"какиз твердых так и жидких частиц.Для этого фиксируют наличие оптического пробоя в серии импульсовинфракрасного лазерного излучения,проходящего через анализируемуюсреду, с дальнейшим определениемвероятности оптического пробоя ипоследующим расчетом искомой- величины по Формуле.И= - Л - (м) (сааб)-бснгС 1 а) ф ,-О Г 1(2 1(2о1)1-Ягде и - концентрация частиц аэрозоля 1Г - фокусное расстояние линзы;О - половинный угол расходи.мости лазерного излучейияпо спаду, интенсивности излучения, в е 2 раз;3 " размер пятна на линзе поспаду интенсивности излучения в е раз;1а= --Пф1 - максимальная интенсивность:лазерного излучения в фокалькой плоскости;1 пор - порог пробоя в аэрозоле,"Ф " вероятность возникновенияпробоя в серии одинаковыхлазерных импульсов.Оптический пробой регистрируютпо световой вспышке в фокальнойобластй линзы.Для исключения влияйия световыхпомех оптический пробой регистрируют путем измерения ударной волны.С Целью увеличения информативности"измерения за один импульспоследние пропускают последователь(2) Ю,= ехр (-Ч 1 (2) чина ч ) фофно через фокусирующие и коллимирую- " щие линзы.В аэрозоль фокусируют инфракрасное излучение импульсного лазера, например СО - 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 -20 крайней меое. одной твердой аэро зольной частицы в область лазерногоизлучения, интенсивность которой превышает определенное пороговое значение 1 , , является необходимый д и достаточным условием для возникновения плазмы оптического пробояф -при отсутствии других источников сво.бодных электронов.Для микросекундного излучения СО 2 -лазера порог пробоя составляет 4 10 Вт/см" для широкого круга аэрозолей, Вероятность Я возникно-вения оптического пробоя равна вероятности наличия по крайнеймере од 35 ной частицы в объеме Ч , в котором .интенсивность лазерного излучения превышает 1, . Вероятность отсутст вия аэрозольйых частиц в объеме М при концентрации частиц п определяется из распределения Пуассона Вероятность возникновения пробоя Ю и вероятность Ю, отсутствия частиц в указанной фокальной области У связаны соотношением При использованиилазерного излучения со сложным распределением интенсивности излученияпо радиусу луча измеряют зависимость Ч(ю) и концентрацию частйц находят из соотношения."ЮЧ) 49 4 Для одномодового лазерного излучения(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 Ч/ Ф 0,5. Если вероят- .йость пробоя близка к нулю или единице, то для измерения значения ве.роятности пробоя с достаточной точностью необходимо проведение измерений в большей серии импульсов,чем это необходимо в случае Ю "- 0,5,Из Формулы (2) следует, что при вероятности Ю =0,5 величина Чь =0,7, Следовательйб;при больших .концентрациях уменьшают фокальный объем, при малых концентрациях -увеличивают. Изменение фокального объема позволяет измерят концентрацию частиц в широком диапазоне, по крайней мере, от 1 до 10 см . Фокальный объем изменяют с помощью сменныхлинз (при этом изменяется 1- фокусное расстояние линзы и а -максимальная интенсивность лазерного излучения в фокальной плоскости) или с помощью ослабителя лазерного излучения (при этом изменяется велиВозникновение 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 оптичес3 7058496Р рстрйРуют по наличию -,энергии 1 он о иударной волны оптического пробоя. емника ИМО, причем часть лазерноНа Чертежеприведен вариант схе- го излучения направляют в ИМО"=йй"проведения измерения концентра- пластиной из хлористого натрия,Кй 1 Гаэрбзольныхчастиц в йотокеЭкспериментально показано, чтоЪаэРозоля. -. . . " порог пробоя практически не зависитИмйульсное инфракрасное излучение от материала и размерааэрозольныхлинзой 1 фокусируют в поток аэрозо- частиц. Испдльзовались .аэрозоли,ля, который создают с помощью гене- - состоящие из кварцевых частиц (разратора 2 аэрозоля. Для регистрации. 0 -мером 2 и 20 мкм) из частиц корунда10световой вспьппки применяют фотопри- (размером 1,6 и 3 мкм), из частицемник 3. Сигнал с Фотоприемника Ре"окиси магния (размером О, 15 мкм) игистрируют осциллографом 4. - ": сажевых частиц (средний размер неПриизмерейии"низких коМцейтрй-" поддается"ойредблению вследствиеций"аэрозольньи"частиц с целью уве широкой функции распределения иличения информатйвностй о йаличии сложной формы частиц),оптического пробоя за один ймпульс Порог пробоя определяют по интенлазерйого излучепйЙспойьзуют мйо-" "сивности,начиная с которой возника.гократную фокусирбвку одного лазер- ет световая вспьппка н уменьшаетсяного луча в аэрозоле. Для этого ла пропускание лазерного излучения зазбрнбе излгчййиейрощсйаЙФ после- ""счет возййкновения плазмы пробоя.довательно через фбкусирующие иПороги пробоя"1 лй 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 впервыев Кан-.В то же"время в аэрозолях, состоной йоследоваФельностй 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"лайз, которые расположены после. . 30 смеси жидкйх и твердых аэрозольныхфокального объема; в котором обра- " частйц вероятность воэникновенизовалась плазма пробоя, не исполь-оптического пробоя определяется -зуют; поскольку "плазма значйтельно;" концентрацйей твердых частиц,исключает лазерный луч, - "":-.".,.: Эти да 11 нйе йодтверждают возмож"П р и м е р 1. Измеряют"счетную " "йость сййет 7 гивйогЪ "определения сч т" концент ацйю аэрозоля, состоящего: " ной концентрацйи"гвйРдьы частиц прйз"частиц"корунда-размером около:" нйлйчии жидких частиц и возможность10 мкм. Модельный аэрозоль"из "час- . -" проведения таких измерений в широтиц корунда создают в аэрозольной.,; " "Ком" диапазсне размерови материаловкамере объемом 150 л М раэмером": 40 аэрозольньЖ частиц., 600 мм (высота) . 400 мм - 400 мм с . "" "Пр "и"ме"р 2, Проводят экспери""помощью генератора Фукса-Мурашкеви-" менты с измейением фокусного рассто. .,; .: ::": .: .:,. " : ". яния линз, фокусирую 1 пих импульсноеКонцентрация аэрозольных часгицлазерноеизлучение в аэрозоль. Иссоставляет 10 см и определяется " 4 пользуют линзы с Фокусным Расстоянинавеской поройка,которая распыляет-ем 50 и 100 мм, Водин йбвых условия:ся генератором. В измерейййх"йсполь"проведения эксперимента (одинаковаязуют линзы с Фокусным"раСсгоянием.счетная концентрация аэрозоля; энер 50 мм и 100 мм. Внутри аэрозольной гия импульса излучения 0,2 Дж; дликамеры линзой Фокусйруйт йзЖЮИФе "0"т 4 йьйость-импульса10- с. АэроСО лазера, Энерго опульСаизлу-.,"" йоль йз"частиц корунда (при замене" "длитейьность импульса составляла:на линзу с Фокусным расстояйиемоколо 10 с. Энергию лазерйогб им мм) наблюдается уменьшение вегтульса прошедшего аэрозоль, йзме- . роятноСти отсутствия пробоя в 10ряютприемником излучения ИМО(с раз. Этосоотвегствует" изменению"учетом поправки-на отраженйе"исйзвеличиныфокапьного объема вприемного конуса) . Уровень"падающей, 2 раза.аж 8 а СССР Ийб., д.4/ о комите рст обр Жс и сква уМетамвеаеЮ л,Проектн Ужгород а 7Таким образом, изменение фокус- ного расстояния линзы дает возможность изменить вероятность пробоя и, следовательно расширить динамический диапазон измерений счетной концентрации аэрозольных частиц. С Редактор П.Горькова ТЮЭ Ю Ювамею еев аЗаказ 4492/2 ВНИИПИ йо д 113035, 8Изменение энергии ймпульса лазер-, ного излучения (с помбщью ослабителя) также приводит к изменению вероятностипробоя. При этом Вероятность отсутствия пробоя изменялась в соот.,ветствии с формулой (1). Корректор Ж.Сирохмаюеее 4 еемаюавевевюююе 1 ьвеаПодписное5 ююфюаеаМвааююю 4 аавая 4