Способ определения фазового состава облачного аэрозоля и дисперсности сферических аэрозольных частиц

(ьт О 0 гОСУДАРС 1 НИМИ ПО иЗОБРетениям пРи гкнт сссР и ОткРытия ОГ 1 ИСАК АВТОРСТВ 54) СПОСОБ ОПРЕСОСТАВА ОБЛАЧНО ПЕРСНОСТИ СФЕР Н ЫХ.ЧАСТИЦ(57) Использ распыленны раль загряэн ливающих изобретения сим,етр/ чн при освеще СКИМ Сввтам краст руктурыошкаь, контты пылеулавСущность ичных и нел:аксимумовахроматичеание; анализ ми кидкастей и по ении среды и раба установок.. ан-:лиз симметр ых дифракционных нии аэрозоля ма 5 1 и 51 лы Чиь(46) ЗС,08,92, Бюл, М 3272) А. И. Бобоышев, В. Л, Пе ренка и ТПОткаВаг 56) Авторское свидетельство СССРМ. 344395, кл. 6 01 М 1500, 1972,Кейсесент Д, Оптическая обработкаформации. - г 1.: Уир, 1980, с. 180.Устройст:.О У 1 ачегп 2200": Проспфир 1 ы "МаЬегп" Великац:итания),Авторское свидетельс. Ва СССРЦо ",28725 кл С1502 198 Изобретение относится к устройствам для определения и контоаля фазового сосаа и дисперснасти Облачнсй аэрозоли, и может быть использовано, В частности, при летных и .трубных испытаниях летательных аппаратов в условиях обледенения и электризации, а также в метеорологии, В биологии и химической технологии для анализа микоаструктуры распыленнь:х жидкостей и порошков и индикации наличия В аэрозоли сферических и несферических дисперсных частиц, для контроля загрязнений окружающей среды и работы пылеулавливающих установок в различных отраслях поомышленности.Известен способ для оценки фазового состояния облаков и концентрации кристаллов льда в обгаках, реализаваннь.й В устройстве, па которому с помощью источника света и конденсатора формируется световой луч, освещающий световое пале оптической системы, Частицы аэрозоля, пролетающие через световое поле. обусловливают световые вспышки, улавливаемые оптической системой и направляемые ею на ДЕНИО ФАЛСБ : 1 О АЭРОЗЛг 1 Й", ГИСЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЬсветоделительную призму, которая направляет обе половины потока на призмы Николя, каждая из которых настроена на пропускание однои иэ двух взаимна перпендикулярных компонент света. Призмы Николя направляют выделенную часть поляризованного светового потока нс катоды фотоумножителей, на выхода:; которых, возникают элек грические импульсы, пропорциональные соответствующим облучающим потокам. Амплитуды импульсов сравниваются и оценивается сост ношение между ними, по которому определяется фаза аэрозоли, Импульсгы ат капель фильтр; ются и нерегистрируются. По импульсам, обусловленным кристаллами, с учетам времени регистрации определяат конценра. ию кристаллов льда. Недостаток этога способа невозможность измерения дисперсности аэрозолей,Также известен способ определения размеров аэрозальных частиц, геализаванный в устройстве и заквючающ,:йся в получении дифракционнога образца частиц, проецирования его на фатоприемник, состоящий из набора концентрически расположенных фотоприемных полуколец различных диаметров с общим центром, совмещенным с оптической осью прибора, преобразовании в цифровые коды аналогоВьх величин зарядов, накопленных в каждом из полуколец фотоприемника, передачи этих данных в ЭВМ,цля обработки па заданному алгоритму и отображению на цифропечатающем устройстве, Размеры полуколец фотоприемника согласованы с факторами оптической схемыустройства таким образом, что каждое полукольца наиболее чувствительна к Од;аму класс ч частиц (определенному диапазону диаметров частиц), 1(0 лества падукадц соответствут количеству выбранных классов частиц, Недостатками способа определения оазмеров аэрозальных частиц являатея невозможностью проведения точных измерений диаметров каждой конкретной частицы, что объясняется низкой разрегцаОщей способностью фотоприемника, и невозможность проведения измерений размеров частиц в трехфазных средах. Это объясняется тем, что на светочувствительные поверхности полуколец фотапаиемника кроме световой энергии дифракциа наго образа сферических частиц, будет попадать свет, отраженный ат граней кристаллов. Таким образам, на каждом из падукадец фотоприемников будет акапл 1 ватьс и суммироваться световая энергия ат дирракцианьх образов сферических частиц и бликов от кристаллов, Ввиду сдуцайОга хара;тера ампди гулы те - лесного угла и координаты бликов. света ат кристаллов суь 11 арные сигналы на полукольцах фотоприемников не представляется вазмо,кным Оар;ботать,Б качестве прототипа выбран способ определения размеров сферических аэрозальных частиц, реализованный н устройстве и заклОчающийся в облучении монохраматическим, каллимираванным пучком света непредставительнай совокуп, ости ансамблей аэразольных частиц, Фурье-преобразований дифракционного рассеянного света, регистрации Фурье-образов линейным пространственно-чувствительным фотоприемником с жестким геометричесим раствором, оп редел знии структуры пространственного оптическ; - . сигнала по аналоговым электрически, Синалам фотоприемника, обработки электри - ческих сиГналав ат фотоприемника ГО признакам, связанным с заканмерПастями дифракционнай карИны рассеяния от единичных капель, отнесении частиц к размерным классам и циклическом повтор-,и перечисленных операций да накопления общего количества зарегистрированных частиц, соответствующего представительной совокупности, отображении результатов из.. ерений на устройстве регисрации.5 Недостатком извест Ого способа является снижение точности измерения дисперсности жидких сферических частиц при наличии в исследуемой среде кристаллов льда, Нижание точности измерену:1дВух-О .азньх диспер.,ньх средах обусловленатем, что гри пагздании в измерительный аб,ем некоторой совпкугнаи Г;1 г пи 8- ких и ки длических аэрозаьных частиц вознкКает дифракционна-биковый абоаз 15 данай совокупности, Сбааагтка такога Рраза го /ЗВестОму СГОсооу знаял",ельО за", рудняется из-за наложения диф рак цианньх максимумов друг на друга, сигналырот кристаллических аэрозольных частиц 20 воспринимаются согласно алгоритму обработки, как диракционные максимумы сферических частиц. Причем блоки от граней любого по размерам кристалла па вероятностным законам его пространственной ори ечтации в измерительном объеме могутпопадать на любую ячейку пространстве 1- нп-чувствительного фотоприемника и, таким образам, имитировать гегвый 1 аксм м дифракианнОГО рассеяния в тю- Д ба;,з разь 8 Оьх кда сав"ьеги:ескай фазы.лью изабре: ения Является рйсгциаение фу;кциаиадьных возмахнастей способа за счет распространения Обасти 35 паимеениЯ на дв/хфазные Дисперснь;8 сиКмы и повьеие точна ", О редеу. ияд",СПерСНОСтИ СфЕОИЧССКИХ азргзадъ Ь;:, .аст:.ц.Поставленная цель дсст:,Га-.тся блага давя таму, чга сагу асно спаса,.;у определения фазавсго состава Обычной аэрозоли и диспбрснасти сф 8 рических аэрзъьных ча ",Иц. Оадерхащем облучение мнагахрсматическим, кглдимированным пучкам света 45 неп;едставитеУЬНОЙ совокгнасти аэр- зальных частиц, Фурье-иеабразава Я срфракцианна рассеянага свет, оегистопцию Фурье-образов линей.ым прОстра- стсенна чувствительным фатаприсмиком 5 С с хкестким геометрческим:;ас 1 ом а-,ределение стр"ктуры прастрэСт,:.:зн 1 га оптического сигнала гО аналоговым электрическим сигналам фатап риеика, и,:еение максимумов дифр;Кционных па ряд:Ов. Определение каарди, - ,:,т диФОакцианн:;х 1 Вксиммов Ог:осиельч ппгиче кай с3 которой г О,к 11 це тр Зурье.преабризаваия в;час, 8,18- метр,эстиц и ат есе:, 8 х к р,.;,.и,- ,л цикл 8 к 8 паетчленных операций до н-.ка.т,тенсля общего ко- ЛИ 58 СТВа ЗареГИСТОИраеанныХ Чса: Р 5 ссасст" ветствующего предс а и"ед на ", ГОЯ(К (ПО л О а Кегсн,. Улс,т, ОР 1,5 МЕПЕНИЙ 1.с:. ссг; "йсс 188 .Е; ИС г 5,Ц 1(И гсРссгДУСМОТР ,5. .Л 8 ДУЮСЦИЕ ОТ;сис;ИЯа,) СОО.,ОСТ ТС; КО".рДИНЭТЫ,Г;ИфраК си" ОННЫХ Маха(свсУЛ 10 В 5 ЛЕНВОГО г,аняцка, ДвжаЩИЕ Слева и Сг;Рава От ОПТ",дчеСКОЙ 0011;бт выдедяатся ди 1-ючные. Не "ил 1 метричные относительно цестра ги-сье-Г 5 рсабразаван",я, максимумь 1, па наличию которых инди 1 ируется иИсутствие в а:дачной аэрозоли твердой фазы;а) выделяются пары симметтр 5 5.х относительно центра Г."урье-п рва. ра."аваь 5, Я МаКСИМУМОВ, Па Налнс 5 ИЮ КатаРЬХ Инд:,.ЦИОуется присутствие:э аэрозоли жидкой (1,0- зы.На фИГ, 1 ПОКаэаНа Структура ПраСтраН- ст венного оптического с.гнала Е, васстановленнога по аналоговым эдекгацческмсигналам пространственна-чувствительнага фотоприемника и обусловленного дифракционным рассеянием света на одиночной жидкой капле; на фиг, 2 - структура сигнала пт кр 5 стадлической аэразоль- НОЙ ,аСТИЦ 1:1: 1 са фИГ, 3 - Пахаэаст.- СТРУКУРг ДИ(сракционО-ГИк(БОГО агтЛЧЕГ:(ОС а СИГНЯГа, Втг,;ТаНОВЛРННОГ(. Г 5 с". а 1"ЛЛО"ОЗЬМ ЭДЕКТ Рис 8 СК 5 ЛМ С 15.,- ОГса 1,1,Сугцнастс. Г 1 рЕДдажЕН 510 ГО Способа гакдюча, тая ",.Ледующел,МС.50 ХраматичеСКОЕ Кос 80" НТН 08 ИЗЛуЧение., РаСС 8 ЯННО 8 КРИСтаЛДсЛЧ 8 СКИМИ ЧаСТИ" 5 асМИ, СОСТОИТ ИЗ ЧИСТО бГс ИКОВОЙ, Обусловленной отражением света на гранях кристалла, и дифракцианай компонент. Бликовая кгдлпан ента рассея н ного излучения строго направлена в простпанстве и представлена в сигнале, снимаемом с пространственно-чувствитедьнага фотоприемника, в виде адина нога г:ика, Дсс 1 ф 1 саКцИОННая КОМПОНЕНта фармируЕ;- ся Л 5 лшь в частном случае кристалла цилиндрич 8 скай формы, но вероятность ориентации кристалла нормальна линейке фотоприемника невелика. Цля кристаллов развслтай пространственной конфигурации эта вероятность е 1 це мень 558. (ледовательна, в единслчных а:,тах регистрации влляние дифракционной картины отдельных кристаллов будет пренебрежительно лтага,Особенностью Фурье-преобразования оптического излучения на сферической частице является осесимметричное положение дифракционного образа ,дифракционных колец) относительно оптической оси независимо от пространственного положения ЧаСтИц В ИЗМЕрИтЕЛЬНОМ ОбЬЕМЕ, ТаКсЛМ Образом, расположенный по диаметру дифракцианных колец линейный пространстве.-.;вствитегЬный фотоприемник с.;ЗСС(-,; Х,.с Кай КаГ 1 ЛИ УГЛОВОЙ РЛДУс 5 ОППРЦ 8 Г 1:,;., с. ПО стаРМ 5/де081з:0 =- - . - -15 ЕстсГде ЛДДИНа Вал 5 Ь ОГ 1 ТЧ 8 СКОсО КВЗ,ПВО10 Генера Гара;1 - Оаци с 1,агди,20 О РОУГОЙ стонаы ПРИ Рассл"сстРенииоптической схемы устройства ддя апределения размеров азразальных части,И ЛЗтО = -- , (2)25 где М - число ячеек;инейного пространственна-чувствительного Аотаприемника, содержащихся на участке ат апти:еской осиДО КООРдсНЭТЫ Лс,5 КСс МУ 14 а Пс",РВС. 0 ПОРЯДКатЕРВОГО ДИфРаКЦ; НННОГО КОЛЬс 1 Э,;35 ъ период ааспплажения Ячеек простра н ствен н а-чу в:тв, Гол ь нага ли н ейногофо оприемникат - фоку(,нае расстояние Фрье-линзы,Из (1) и (2) "дедует, чтаО,З 1 .л, К - (3)Г 5 рИ НаХС:;деНИИ В стЗМЕритЕ ЬНОМ ОбЬеме одиночной сфер: ческой час .Ицы (фиг. 1)сОГдасна тред 1 агаейаму способу асрсделЯ 40 1 ат координату максимума оптичес;о.с сигнала первого порядка (ч:;сла ячееклинейного поастранственно-чув твитедьного фотоприемника, содержацееся на участке От оптической оси до ма;симума)45 чл 1 находящегося сле.а от оптическойаси, и координату максимума йп 1, находя ще Гася справа От аси. Сравн 55 ва 1 ат КОординаты, и если Му,1 оп 1, та атасятчастицу к жидкой фазы и вычисг 5 яют диа 50 мер частицы в соответствии с формулой (3)Учитывая искажения ка тура 1.,ифракц,. нного максимума из-за неэффект. Снасти переноса регистра (Ь 05 ап риемникав на (,с ОвеПОИбараь С ЗарРДОВОЙ СВЯЗЬса И Вазмаж-;Ла55 инсрумест аг.ь 51 ую".,сгтускаел(ую на практиКЕ НЕСХаДИМОСТЬ ЗНаЧЕНИЙ МЛсЛ КГ 1 В ПОЕдеЛаХ ОДНО 5-ДВух ЯЧЕЕК, ДЛЯ Г;ОВЬс ЕНИЯточности диамет 50 капли О ьычисляют пОСРЕДНЕМУ Зна.с 81-:ИЮ КООРДиссаТ МаСИМУМОВ(4 Где Йр - -05(И 1+ ИП 1).Таку(о же процедуру применягат при а;(ализе бликового сигнала (фиг. 2), Определя:от координату максимума оптического сигнала Мп 1, находящегося справа от оптической оси, Слева от оптической аси максимумов нет. Сравнивая полученные результаты, приходят к заключению, что для найденной координаты Мп 1 отсутствует симметричная координата К л 1, Следовательно, согласна предлагаемому способу обнаруженае отсутстз: парного симметричнога относительн о(гг(веской аси максимума дает ас(Ова (ие полагать, что азрОзольная частица Отосится к твердОЙ фаз 8,К типичному дифракционно-бликовому оптическому сигналу(фиг. 3), обусловленному рассеяни(о света некоторой совокупностью сферических и кристаллических аэроэольных частиц, также применим предложенный способ определения фазового состава облавной аэрозоли и дисперсности сферических азрозальных частиц. Слева от оптичес:ой оси находят максимумы с координатами (чл 1 ("Л 2 ( лэ " (ЧЛ По правой 1 группе сигналов находят максимумы с координатамип 1, М п 2, Н пз, , г и. СравниВа(от зги два массива (ООГдинат и апределя(ат, что КЛ 1 - (1 ПМ 2= М П 1,Ц 1 = М П(, (.(,Ля "г 2 и Нпз ет саотвдтствующ(х парных (симметричных, каоодин ат. Ч а стицы, абусловливаюгцие симметри (Г(ь(8 относительна Осиэксим("атическогО сигнала., Оть(ася к фидкай фазе и па координатам максимумов определяют диаметр час гиц. Частицы, обуслов Кива ощие несимметричные Относительо аг(тичес(ОЙ Ос( максимумь(, относят к твердой фазе,(1 О в ех Оас(мотренных случаях ц(1 аметры капель, полученные в одном измери8 л ь и О м а ( т 8 (с ц 8 и 8), сортируют и о заданным размерным классам и ведут счет общего количества капель, до тех пор пака при последовательной обработке ряда дифракцианно-блиовых сцен не будет зарегистрировано заранее заданное эксперимента горам потребное количество капель (представительная совокугтность азрозальных частиц),Работоспособность предлагаемаг сгюсоба била проверена с помощью устрсйсгва, на котором бьгли получены и абрастань структуры пространственно(О Оптиче(с(;ог сигнала, показанные на ф(1 г, 13, О(,тиаское излучение создавалось импульсным лазером 1 П(А 403(1.ч диамеграм 1 (Зформировался оптической системой и пода.Вался в измерительный обьем, по которому двигалась двухфазная д;",сперсная среда.Рлссеянное азрозольными частицам(д опти ческое излучение преобразовалась оптическим Фурье-процессором, выполненным на однолинзовой системе с фокусным расстоянием 11010 м. Вточное Фурье-преобразование прОстранстВеннага г(аля. 1 (ря;(ай луч 10 с нулевой пр 1 сгранственОЙ ча т.тгай (Недифрагироваое излучение) обрезался филь Гром;(а выходе 1 эу(а.,В-про(48 ссора, Ъ")Дъ"рЛ 8 УГТВН".ВЛВВЛ 3 ООРЧЯт(О-ЧУВ ствитеЛЬНЫЙ ратапрИЕмнИК С жестким гео метрическим растрам на основе прибора сзарлдовои связью типа К 4 ц(Ц 11(-1/, каторь(и поеабразовывал пространственна распределенное пола оптического излучения в паследовател -ность электрических им пульсов. Гасл усиления злектриеский1сигнал подавался на аналого-цифровой преа(5 разова(ель, преобразующий амплитуду электрических импульсов в цифровой код, Цифровой код, соответствующий поо 25 странственнаму распределению оптического поля, поступал в процессор ПВМ типа ДВКМ и обрабатывался согласно алгоритму. описанному Выше. Апробация предлага;1 ага способа показала егс 3. универсальность: Возможно его использование 8 (Олька Г(ри ис( ледавании Р.;кбосруктуры дно и двухйазных,лис;(8.сных с(1 ао, на и паи исследовании Г(разов(ных с(;.,ВО с:,кл(0(енями сф 8 ри(ес(:;"1 х и Раис Ол лич:,с(: частиц.р 84 Яу 8(ГВРМ Г(рбд(ах 8 НН"ц О Способ вл:(ется простой алгор(т:. Обаа(:От( э(д("к, 1 эичесх;ир(алов (;(месь( (, Г(Оас ;ен(а-ЧУВСТВ 1 ГЛЬН Х Рога-(П-,М 0 нка" и "гоген"дя и"(ГОВ дВанзлс(гавых, так и В цифровь(х В)(ч(Б(1 телях,";г(име 8:,ИВ пре 1 т(ох(еннаго ", "СО;1 а пав,.;- сит т"1 чпс ь йз 1(г(ений и Га.,ыь Ит (т 1 ас ь и" пользования устройстй, (то способстыу. ч 5 ет ( ОВ.:щ("н 1(О бюъэагасноги п(е-,а,". р;йД"ГОНЬ(Х СУДОВ В "СЛОВ(Я "(" Н("("( И." "ц (иФормула иэобретснияаналоговым электрическим сигналам фотоприемника, выделение максимумов дифракционных порядков, определение координат дифракционных максимумов относительно оптической оси, на которой лежит центр Фурье-пре разования, вычисление диаметров част;ц, онесение их к размерным классам, циклическое повторение перечисленнь;х операций до накопления общего количества зарегистрированных частиц, соответствующего представительной совокупности, отражение результатов измерений на устройстве регистрации, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет распространения области применения на двухфазные дисперсные системы и повышения точности определения дисперсности сферических аэрозольных частиц. соотносят кооо динаты дифракционных максимумовпервого порядка, лежащих слева и справа от оптической оси, выделяют одиночные несимметричные относительно цен, ра Фурье- преобразования максимумы и по их 10 наличию индицируют присутствие в облачной аэрозоли твердой фазы, выделяют пары симметричных относительно центра Фурье- преобразования максимумов, пс наличию которых индицируют присутствие в облач ной аэрозоли жидкой фазы.1758516 оставитель Т.Попоковаехред М,Моргентал Корректор С. Патрушев ктор Л.Пчол а ГКНТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагар аказ 2994 ВНИ П Тираж Подписное И И Государственного комитета по изобоетениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5