СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА КАПЕЛЬ В АЭРОЗОЛЕ
DETERMINATION OF DROP SIZES IN AEROSOL

Изобретение относится к способам исследования аэрозолей жидкостей различной вязкости и предназначено для определения дисперсных характеристик аэрозоля в широком диапазоне размеров частиц, в том числе нанометров. Может быть использовано для оценки среднего размера частиц аэрозоля в воздушном потоке.
Известен способ определения дисперсного состава капель в факеле распыла форсунки (патент РФ №2495403, G01N 15/12, 2013 г.). Способ основан на распылении раствора неиспаряемой примеси в исследуемой жидкости с последующим дисперсным анализом частиц сухого остатка. Распыление раствора определенной концентрации проводят в герметичной камере с заданными условиями по концентрации паров исследуемой жидкости. Для повышения скорости получения контрольных образцов пробоотбор осуществляют при прокачивании выдержанного в камере аэрозоля через электрофильтр на осадительные электроды.
Известен способ определения размеров частиц по дифракции лазерного излучения (ГОСТ Р 8.777-2011). Метод измерения основан на измерении интенсивности углового рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны на частицах аэрозоля или взвеси. На основании индикатрисы рассеяния, регистрируемой многоэлементным фотоприемным устройством, решением обратной задачи рассеяния для моделей частиц сферической формы определяют средний размер частиц и счетную концентрацию. В зависимости от размера частиц, а точнее от отношения πd/λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, d - размер частицы, индикатриса рассеяния изменяется, причем чем меньше размеры частиц, тем более симметричным становится рассеяние по углами 0 и 180° (релеевское приближение πd/λ<<1). Поэтому при измерении размеров наночастиц, как правило, угол наблюдения составляет от 0 до 180°.
Известен способ когерентного малоуглового светорассеяния для определения спектра размеров капель распыленного дизельного топлива (Чертищев В.В., Сеначин П.К., Ульрих С.А., Жигулин П.С. Ползуновский вестник, 2013, №4/3, с. 70-75). Для определения распределения интенсивности рассеянного излучения как функции угла рассеяния в диапазоне от 5 до 100 мкм применен метод малых углов. При этом регистрируется излучение вперед в диапазоне углов рассеяния, заключенного в конусе с малым углом раствора. Дифракционная картина регистрируется в фокальной плоскости длиннофокусного объектива. В качестве источника света использую лазер. Оценку параметров распределения капель распыленного топлива осуществляют с помощью разработанной для этой цели программой ScatteringAnalize.
Ближайшим аналогом является способ экспрессного определения дисперсного состава аэрозоля (патент РФ №2287805, G01N 21/91, 2006 г.). В способе устанавливают зависимость веса и диаметра частиц аэрозоля от диаметра отпечатков этих частиц на подложке, сканируют фиксирующую индикаторную подложку с нанесенными частицами аэрозоля для получения контрастного изображения и используют компьютеризированную систему обработки видеоизображений фиксирующих индикаторных подложек с нанесенными частицами аэрозоля. Для регистрации видеоизображений применяют цифровые фотоаппараты или сканеры с переменным дискретным разрешением, что позволяет расширить диапазон определяемых размеров частиц аэрозоля.
Недостатком известных способов является необходимость использования подложек и. сложность учета влияния физико-химических свойств жидкости на результаты измерения отпечатков капель аэрозоля на подложке.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего избавиться от каких-либо подложек и проводить измерение капель аэрозоля непосредственно в потоке воздуха.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения размера капель в аэрозоле путем отбора проб аэрозоля, регистрации частиц аэрозоля с последующей статистической обработкой результатов с использованием компьютеризированной системы обработки видеоизображений, измеряют размер каждой капли по ширине изображения трека капли при ее движении в потоке воздуха, при этом жидкость распыляют в воздушную среду, и поток аэрозоля направляют в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера, подсвеченные лазером капли, регистрируют видеосистемой микроскопа в виде изображения отдельных треков, где ширину трека определяют размером движущейся капли, а длина трека пропорциональна длительности экспозиции и скорости движения капли, при этом размер капель оценивают по ширине треков с учетом изображения мерной линейки, сделанном при том же увеличении, что и фото треков капель аэрозоля.
Способ осуществляется следующим образом.
Способ осуществляется на устройстве, показанном на фиг. 1, где 1 - волновод УЗ; 2 - трубка подачи транспортирующего газа (воздуха); 3 - объектив микроскопа; 4 - ввод и подача масла; 5 - распыляющая часть иглы; 6 - поток аэрозоля; 7 - лазер; 8 - мерная линейка.
Жидкость распыляют в атмосферу, при этом в отсутствии транспортирующего газа аэрозоль висит над торцом распыляющей трубки 5 (капли меньше 10 мкм) и перемещается в пространстве под действием конвекционных потоков воздуха. Транспортирующим газом поток аэрозоля направляют в область под объектив микроскопа 3, подсвеченную лазером 7. Для определения фокусного расстояния и определения размера капель в качестве репера используют мерную линейку 8, которую ставят в поток лазерного излучения перед объективом микроскопа.
Капли, подсвеченные лазером, на видеоизображении дают треки, ширина которых равна диаметру капель, а длина пропорциональна времени экспозиции.
При большом увеличении (×100) у объектива небольшая глубина резкости, и на фото (видео) наблюдаются только треки с резко очертанными границами от капель, проходящих в фокальной плоскости объектива (фиг. 2).
Изображение треков фотографируется видеосистемой микроскопа и поступает для обработки. Размеры капель аэрозоля определяются по ширине изображения треков путем их сравнения с изображением шкалы мерной линейки, сфотографированной при том же увеличении, что и треки. Делается это с помощью программы, позволяющей измерять размеры с фотографий по первоначально установленному масштабу (размеру). Для этого используют фото с четкими треками движения капель аэрозоля, сделанное видеосистемой микроскопа на увеличении ×100 (фиг. 3).
При измерении капель непосредственно в потоке воздуха избегают всех перечисленных в прототипе нюансов, тем самым значительно упрощается процесс и увеличивается точность измерения размеров отдельных частиц.