Laser remote monitoring of hazardous substances emissions by ship power plants
Authors: Туркин В.А. , Игнатенко Г.В. , Сарычев И.А. , Джиоев Р.И. 
Published: July 2021

При сгорании топлива в судовом двигателе образуются частицы сажи, которые сорбируют в себе токсичные компоненты отработавших газов. Размеры этих частиц варьируются от 0,1 до 100 мкм. В области возможных диапазонов варьирования размеров частиц сажи актуальным является видимая и ближняя ИК-область электромагнитных волн. Решая обратную задачу ослабления и рассеяния света частицами можно получить информацию о концентрации и функции распределения частиц по размерам. Выполнен анализ возможности одновременной оценки концентрации и дисперсности лазерным методом дифференциального ослабления и описан вариант его технической реализации. Разработана четырех волновая лазерная система, которая позволяет измерять сигналы ослабления лазерного излучения методом дифференциального ослабления на трех длинах волн и сигнал рассеяния Ми на частицах аэрозоля излучения четвертого лазера. По измеренным сигналам ослабления рассчитан средний объемно-поверхностный диаметр аэрозольных частиц. Измерены сигналы ослабления лазерного излучения на трех длинах волн на разработанной лазерной установке в составе экспериментального стенда, что позволяет рассчитать значения массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра аэрозольных частиц. Показано, что в зависимости от диапазона размеров частиц сажи выбираются соответствующие длины волн лазерного зондирования. Применение метода дифференциального ослабления лазерного излучения частицами сажи в выбросах судовых энергетических установок на нескольких длинах волн позволяет оценивать одновременно их концентрацию и характеристики дисперсности.

When fuel is burned in a marine engine, soot particles are formed that absorb the toxic components of the exhaust gases. The sizes of these particles range from 0.1 to 100 microns. In the range of possible ranges of variation in the size of soot particles, the visible and near-IR regions of electromagnetic waves are relevant. By solving the inverse problem of attenuation and scattering of light by particles, one can obtain information about the concentration and distribution function of particles by size. The analysis of the possibility of simultaneous assessment of the concentration and dispersion by the laser method of differential attenuation is performed and a variant of its technical implementation is described. A four-wave laser system has been developed, which makes it possible to measure the attenuation signals of laser radiation by the differential attenuation method at three wavelengths and the Mie scattering signal on aerosol particles of the radiation of the fourth laser. The measured attenuation signals were used to calculate the average volumetric surface diameter of aerosol particles. The signals of the attenuation of laser radiation at three wavelengths were measured on a developed laser setup as part of an experimental stand, which makes it possible to calculate the values of the mass concentration and the average volume-surface diameter of aerosol particles. It is shown that, depending on the range of size of soot particles, the corresponding laser sounding wavelengths are chosen. The application of the method of differential attenuation of laser radiation by soot particles in the emissions of ship power plants at several wavelengths allows one to evaluate simultaneously their concentration and dispersion characteristics.