SU911232A1 - Способ дистанционного измерени средних размеров частиц аэрозол - Google Patents

Description

(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

1

Изобретение относитс  к оптическим мето дам исследовани  аэродисперсных образований и может быть использовано дл  исследовани  свойств облачности в метеорологии к контрол  параметров аэродисперсных сред в химической технологии.

Известен дистанционный лидарный способ измерени  средних размеров частиц аэрозол  в азродисперсной среде (облаке) заключающийс  в том, что на выбранный участок облака с помощью лазера посылаютс  короткие импульсы зондирующего оптического излучени , принимаютс  и регистрируютс  параметры рассе нного от исследуемой среды зондирующего сигнала (времен1и  задержка по отнои1ению к посланному зондирующему импульсу, амплитуда , поприЗаци  , энерги  и т.д.) (1.

Дл  получени  необходимой информации о среднем радиусе частиц аэрозол  в объеме по параметрам прин того зондирующего сигнала используют уравнение оптической локации:

СГSo

(rCH)«itCM)

г-о опт

2 ()i -ал

2

Ho

н

X e JrGCM)dH e XG-oCH)dH,

HOо

где I - интенсивность прин того зондирующего сигнала;

1о К

-интенсивность излучени  посланного зондирующего сигнала;

-коэффициент пропускани  приемопт но-передающей оптики;

С

-скорость света;

to

-длительность излучаемого лидат ром импульса;

-площадь приемной оптики;

So HO

-рассто 1ше до облака;

-глубина, проникновени  луча

5(Н)

IS в

-коэффициентобъемного рассе ни  излучени  в облаке;

.зе(н)

-значение индикатрисы рассе ни  в облаке дл  угла  ; .

20

5 о - коэффициент ослаблени  на трассе (до облака).

Параметры 1о, К, С, г. So - известны до начала зондировани . If, Нп, Н, измер ютс  в процессе зондировани  &оЗЕ.(Н) - зада ютс  априорно. Информаци  о средних размерах аэрозол  в облаке заключена в величине коэффициента объемного рассе ни  SCH), значение которого и наход т с помощью ураьнеВИЯ (1)Г Дл  достаточно крупных аэрозольных части фактор эффективности рассе ни  которых Ко- 2, объемный коэффициент рассени  S св  зан с геометрическим сечением аэрозол  Q в единице объема следующим соотношением (дл излучени  лидара в видимом диапазоне спектра ): , 5 2N/wR f(r)dr 2Q,(2) о где f (г) - функции распределени  аэрозол  по размерам; . N - концентраци  аэрозол  в единице объема; R - размер аэрозол . Задава  априорно распределени  капель по размерам в исследуемом облаке, можно, изме рив 5, определить и средний размер частиц в облаке путем решени  обратной уравнению (2) задачи. В общем же случае однозначной св зи между О и средним размером частиц в облаке не существует. В уравнение оптической локадаи входит модуль индикатрисы обратного рассе ни  (Н), величина, которого в зависимости от распределени  частиц по размерам в исследуемом аэродисперсном образовании может существенно мен тьс , при этом в той же мере, согласно у1авнению лазерной локации, мен ет с  и величинаG, по которой определ ют Я. Кроме этого, приемно-передающа  аппаратура лидара требует абсолютиой калибровки, что нар ду с техническикш. трудаост ми прове дени  калибровки также  вл етс  источником больших систематических ошибок при определении среднего размера частиц в Облаке. Наиболее близким техническим решением  вл етс  способ определени  лдакроструктуры облаков (в том числе и средних размеров частиц R с помощью двухчастотного лидара), включающий облутени  аэрозольной среды зон дирующим лидарным излучением и регистрацию параметров рассе нного средой зонщрующего излучени  21. Сущность этого способа заключаетс  в од новременном измерении Лектора пол ризации прин того лидаром зондирующего излучени  и отношении коэффициентов рассе ни  на двух длинах волн 6ii /GS.. Коэффициенты 5i и Й2 определ ютс  традиционным способом с использованием уравнени  лазерной локации 1J. Средний размер частиц в облаке наход т по величинам Р ,СХ|/( с. помощью известных соотношений. Однако этому способу присуиш следующие недостатки: Уравнени , с помоц1ью «рторых получена св зь величинб1/б2.и Fc R выведены дл  : конкретного распределени  частиц по размерам в облаке. В случае зондировани  реальных аэродисперсных сред это ведет к значительным ошибкам в определении средних размере аэрозол  в облаке. Кроме того, неопределенным  вл етс  выбор индикатрисе обратного рассе ни , с помощью которых наход тс  0 и О . Цель изобретени  - повышение точнорти измерений. Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу дистанционного измерени  средних размеров частиц аэрозол , включающему облучение аэрозольной среды зондиру ющим лидарным излучением и регистрациюпараметров рассе нного средой зондирующего излучени , аэрозольную среду дополнительно облучают пуЧком воздействующего лазерного излучени  с известной в каждый момент времени интенсивностью излучени  На границе этой среды, причем длину волны воздействующего излучени  выбирают такой, что это излучение поглощаетс  исследуемым аэрозолем , но не поглощаетс  воздухом и парами вещества, вход щего в состав аэрозол , увеличивают интенсивность воздействующего излучени  до момента резкого измерени  пара метров рассе нного зондирующего излучени  и по интенсивности воздействующего излучени  в момент резкого измерени  параметров рассе нного зондирующего излучени  и температуре среды, измеренной известным способом, суд т о средних размерах частиц аэрозол . Способ осуществл етс  следующим образом. Если длина волны излучени  воздействующего лазера размеры отдельной аэрозольной частицы таковьс, что излучение хорошо поглощаетс  частицей, но не поглощаетс  воздухом и парами вещества, из которого состоит частица (дл  частиц из воды это вьшолнимр, например, дл  ,,д 10,6 мкм} то спуст  некоторое врем  (практически совпадающее с врр менами р зогрева частицы и. началом ее интенсивного испарени ), в окрестности частицы возникает поле пересыщени  пара определенной конфигурации. При этом максимальное значение пересьццени  5 существенно зависит от температуры поверхности частицы и температуры среды, в которую частица помещена. Как только максимальное значение пересыщени  при вариации R, или Т превышает некоторое определенное дл  каждого конкретного вещества значение, в окрестности первичной частицы в результате гомогенной нуклеации образуетс  множество мелких вторичных частиц, располагающихс  вокруг первичной в виде шарового сло . По вариаци м интенсивности излучени , температуры среды и размера частиц вторична  гомогенна  конденсаци  имеет почти пороговый характер, . ПРИ посто нстве размера частицы и температуры среды и измен ющейс  интеиоюнос ти излучени  до определенной интенсивности вторичного облака чартиц нет, а после нее, за времена практически равные временам разогрева частиц, образуетс  такое облако. При этом, рассеиваЕощие свойства аэродисперс ной среды резко измен ютс  из-за быстрого роста в нем концентрации частиц субмикронных и микронных размеров и как следствие этого изменени  р да параметров (например, амплитуда и формы; поин того зондирующег скгтт., С понихсением температуры окружаюо ей аэрозоль среды дл  возникновени  эффекта гомогенной конденсации требуютс  меньшие интенсивности воздействующего излуадии . И наоборот, эффект перестает наблюдатьсхС пр температуре окружающей среды 12 С, так как в этом случае, еще до возникновени  го могенной конденса(щи, прсжсходкт взрыв аэрозольных частиц. Дл  каждого конкретного вещества, из которого состоит частица и определенной дли ны волны излучени ,поглощающегос  вещест вом частицы, существует однозначна  зависимость „op.-R f(T),(3) св зывающа  пороговую интенсивность излучени  Ijj размер частиц R с температурой среды Т (здесь К - фактор эффективноста аэрозол , f(T)- функцко1гальн:а  зави симостъ от температуI i ).. Эта зависимость может быть получена с необходимой точностью заранее в лабораторных услови х. При известной температуре среды, в которой находитс  аэрозолыга  частица, с помои1ью уравнени  (3) наход т величину Kjj R. Дл  аэрозольной част1{цы известного состава и конкрет(й волны воздействугощего излучени  лараметр К может &jTb подсчитан с требуемой точностью с помощью теории рассе ни  Ми. Поэтому, зна  величину KjjR можно найти и R. Работают по пре)п(лагаемому способу следующим образом. На выбранный участок аэродисперсной среды (например, на облако), температура которого измерена известным способом направл ют пучок зондирующего лидарного излучени  и принимают рассе нное аэрозольными частицами (капл ми) излучение. После регистрации лидаром первых импульсов рас- се нного капл ми излучени выбранный участок обл ка облучают вторым лазером, воздействующим , т.е. таким, излучение которого существенно измен ет температуру аэрозольных частиц (капель). Одновременно с этим продолжают лидарное- зондирование. Пусть рассто ние до нижней границы облака HO 1 км, мощность излучени  воздействующего СОз - лазера равномерно распределены в сечении пучка излучени  диаметром DO 10 см и нарастает во BpcMeifH от кул  до I ..,„„ - 10 Вт. Расходимость пучка излучени  10 . В этом случае на нижней границе облака интенсивность воздействующего излучени  I достегает величины 1,р i 1,410 Вт/см в п тне диаметром 30 см. При среднем размере частиц R 10 мкм и температуре облака при таких интенсивност х воздействующего излучени  возникает эффект гомогенной конденсации, который может быть зафиксирован по резкому изменению р да параметров (например, амплитуды и формы) прин того зондирующего лидарного сигнала, обусловленному скачкообразным сдвигом распределе1{и  капель по размерам в облаке в область более мелких капель и резкого возрастани  концентрации «шстиц в облучаемой области. Зна  интенсивность воздействующего излучени  I на границе выбранного участка аэродисперсной среды, а также температуру среды Т с помощью градуировочной кривой IKjjW - f(Т), полученной заранее в лабораторных услови х дл  конкретного исследуемого аэрозол  (воды или другого вещества) определ ют величину KjjR, а по ней, с п мощью известных зависимостей, и величину R. Аналогичный спосх б измерени  возможени при базовом методе измерени , когда приемник зондирующего излучени  располагаетс  за аэродисперсной средой, .но при малых оптических толщах среды(то- О- Следует отметить , что врем  действи  воздействующего лазера должнр быть. достаточным дл  прогрейа частиц аэрозол  и начала их интенсивного испарши . В то же врем , если любым независимым способом измер етс  средний размер частиц аэродисперсной среды, с помощью предлагаемого способа может быть определена локальна  температура облучаемого участка аэродисперснрй среды.

79

Процесс измерени  средних размеров частиц npeixnaiacMbiM способом существенно упрощаетс . Ллдар в данном случае используетс  лишь как индикатор возникновени   влени  гомогенной конденсации в облаке за счет нагрева частиц аэрозол  воздействующим лазером. Поэтому нет необходимости ни проводить абсолютную калибровку приемно-передаюшей аппаратурь лидара, ни использовать дл  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 дл  воздействующего лазера с целью определени  интенсивности его излучени  при разном рассто нии от лазера до облучаемого аэродисперсного образова1ш  в то врем  как при лидарном способе зондировани  процесс калибровки проводитс  не только по посланному , но и по прин тому зондирующему сигналу .Таким образом, точность измерени  средних размеров частиц предлагаемым способом возрастает как за счет уменьшени  систематических ошибок, св занных с абсолютной калибровкой аппаратуры, так и за счет существенного coKpaujcHHH р да априорно задаваемых параметров, использующихс  при известных способах обработки прин того зонд1 руюшего

лидара..

Claims (2)

1.Зуев В. Е. Лазер - метеоролог. Л., Гидрометеойздат , 1974, с. 12-40.

I

2.Терман А. И., Захаров В. М., Тихонов А. и Т батов А. Е. Исследование облачных образований и подстилающей поверхности с помощью двухчастотного лидара. Труды ЦАО, М., Гидрометеоиздат, 1979, вып. 138, с. 106 119 (прототип).