УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ И ПАРОВ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного анализа содержания тонко дисперсных аэрозолей с диаметром капель d<15 мкм и паров жидких углеводородов в двухфазных выбросах топливных жидкостей (керосин, мазут, дизельное топливо, нефть и др.) в атмосфере, ее мониторинга и предупреждения техногенных аварий.
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для анализа содержания аэрозолей (авторское свидетельство СССР №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, источник света, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Его недостатком является невозможность анализа паровых примесей в атмосфере.
Известно устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для аспирации воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно тарируется в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра при постоянном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность одновременного анализа паровых и аэрозольных примесей в атмосфере.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации паров углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод и фотодиод, электронный блок, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации и стабилизированного питания. Его недостатком является невозможность одновременного анализа содержания аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере.
Известно устройство для измерения содержания газов и пыли в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газовый сенсор, соединенный с электронным блоком, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки. Его недостатком является забивка фильтрующего элемента фильтратом и необходимость его периодической замены в процессе эксплуатации, а также дрейф емкости из-за забивки фильтра пылевой компонентой.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель, №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал и побудитель расхода анализируемых паров углеводородов через аэрозольный фильтр в инфракрасный оптический датчик. Его недостатком является невозможность одновременного анализа содержания паров и аэрозолей жидких углеводородов в атмосфере.
Известен низкотемпературный инфракрасный анализатор выбросов паров сжиженного природного газа в атмосфере на основе иммерсионных диодных пар (патент РФ на полезную модель №201917), включающий измерительную газовую кювету с инфракрасным иммерсионным светодиодом и инфракрасным иммерсионным фотодиодом, связанные гибкой механической связью с ее корпусом котировочными элементами, электронный блок питания, управления, стабилизации температуры и передачи сигналов, причем цилиндрический корпус газовой кюветы состыкован с цилиндрическим каналом с аэрозольным фильтром для ввода анализируемой смеси паров с воздухом из атмосферы в газовую кювету побудителем расхода, расположенным на выходе измерительной газовой кюветы. Его недостатком является невозможность одновременного анализа содержания аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе сжиженного природного газа в атмосферу (патент РФ на полезную модель №211142, прототип), содержащее два параллельных и скрепленных прямоугольных швеллера с центральными прямоугольными отверстиями для одновременного течения потока аэрозолей и паров жидких углеводородов через каналы их анализа, первую и вторую оптопары с лазерными диодами с длиной волны излучения 0,65 мкм и фотодиодами их регистрации, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, инфракрасный газоанализатор, расположенный внутри прямоугольного швеллера на выходе из канала анализа капель и паров жидких углеводородов, включающий измерительную газовую кювету с третьей оптопарой с инфракрасным иммерсионным светодиодом с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом для его приема, связанные гибкой механической связью котировочными элементами с цилиндрическим корпусом измерительной газовой кюветы, состыкованным с цилиндрическим каналом с аэрозольным фильтром для ввода потока паров жидких углеводородов в измерительную газовую кювету побудителем его расхода, и электронный блок питания, управления, оцифровывания и передачи данных к удаленному компьютеру.
0
Устройство по прототипу позволяет одновременного измерять объемную концентрацию паров и анализировать содержание аэрозолей жидких углеводородов в атмосфере с быстродействием  с путем регистрации оптической плотности капель  и поверхностной концентрации  где I и I - интенсивность излучения без и в присутствии паров и капель, соответственно,  и n - их среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация, L - длина оптической зоны анализа. Причем, в процессе анализа капель измеряется поверхностная концентрация тонкодисперсных (диаметр J<15 мкм) и грубодисперсных (d≥15 мкм) капель. Его недостатком является невозможность определения размера и счетной концентрации тонкодисперсных капель жидких углеводородов с τ≈0,05 с.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере путем осуществления одновременного анализа содержания паров и определения размера, поверхностной и счетной концентрации тонкодисперсных капель жидких углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере за счет расширения его функциональных возможностей путем осуществления одновременного измерения оптической плотности, поверхностной и счетной концентрации тонкодисперсных капель с d<15 мкм, их размера с одновременным анализом объемной концентрации паров при выбросе топлив с образованием облаков топливовоздушных смесей (ТВС) с быстродействием до 0,05 с.
Для достижения технического результата предложено устройство для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере, включающее прямоугольный швеллер с прямоугольным отверстием для анализируемого потока тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов через зону их оптического анализа, первую оптопару с лазерным диодом с длиной волны излучения 0,65 мкм и фотодиодом для его регистрации, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольного швеллера, вторую оптопару с источником излучения и фотодиодом для его регистрации, инфракрасный газоанализатор, установленный внутри прямоугольного швеллера на его ребре на выходе из зоны анализа тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов, включающим измерительную газовую кювету с третьей оптопарой с инфракрасным иммерсионным светодиодом с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами с цилиндрическим корпусом измерительной газовой кюветы, состыкованным с цилиндрическим каналом с аэрозольным фильтром для ввода потока паров жидких углеводородов в измерительную газовую кювету побудителем его расхода, и электронный блок устройства для его питания, управления, оцифровывания и передачи данных, при этом, вторая оптопара содержит инфракрасный иммерсионный светодиод с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасный иммерсионный фотодиод для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами, закрепленными на внутренней поверхности прямоугольного швеллера, причем длина оптической зоны анализа тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов первой и второй оптопар совпадает с длиной оптической зоны анализа паров жидких углеводородов третьей оптопары в инфракрасном газоанализаторе.
В результате установки внутри прямоугольного швеллера второй оптопары с инфракрасным иммерсионным светодиодом с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами, закрепленными на внутренней поверхности прямоугольного швеллера, создания оптической зоны анализа тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов первой и второй оптопарами с длиной, равной длине оптической зоны анализа паров жидких углеводородов третьей оптопарой в инфракрасном газоанализаторе реализуется технический результат заявляемой полезной модели, заключающийся в улучшении технических характеристик устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере за счет расширения его функциональных возможностей путем осуществления одновременного измерения оптической плотности, поверхностной и счетной концентрации тонкодисперсных капель, их размера с d≈0,1-15 мкм с одновременным анализом объемной концентрации паров жидких углеводородов при техногенном выбросе топлив с образованием ТВС.
A
А
П
П
0
П
A
В присутствии аэрозолей и паров жидких углеводородов согласно аддитивному закону ослабления излучения Бугера (Ландсберг Л.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.) оптическая плотность ТВС может быть рассчитана как  где D и К(λ) - оптическая плотность аэрозолей и их объемный спектральный коэффициент ослабления излучения с длиной волны λ, D и К(λ) - оптическая плотность паров с концентрацией С и коэффициент спектрального поглощения излучения молекулами пара при длине волны λ; I - интенсивность излучения без ТВС, I - интенсивность излучения ослабляемого парами жидких углеводородов, I - интенсивность излучения, ослабляемого аэрозолями, значения которых регистрируются фотодиодами первой, второй и третьей оптопар.
П
При анализе паров жидких углеводородов (керосин, мазут, нефть, дизельное топливо и т.п.) во второй и третьей оптопарах используется одинаковые инфракрасные иммерсионные светодиоды с λ=3,4 мкм и одинаковые инфракрасные иммерсионные фотодиоды с равной длиной оптической зоны анализа. В результате их показания значений D от С совпадают.
П
A
В первой оптопаре излучение не поглощается атмосферными парами воды и жидких углеводородов, так как их К(λ)≈0 при λ=0,65 мкм. В результате, первая оптопара с лазерным диодом и фотодиодом регистрирует только оптическую плотность аэрозолей D(0,65) при λ=0,65 мкм.
A
П
Вторая оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом с λ=3,4+/-0,2 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом измеряет оптическую плотность D(3,4)=D(3,4)+D (3,4) при λ=3,4+/-0,2 мкм.
П
A
П
П
Третья оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом с λ=3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом регистрирует оптическую плотность паров D(3,4) при λ=3,4 мкм, так как анализируемый поток фильтруется аэрозольным фильтром и капли не поступают в инфракрасный газоанализатор. В результате из показаний второй и третьей оптопар определяется оптическая плотность аэрозолей D(3,4)=D(3,4)-D(3,4) при λ=3,4 мкм, где D(3,4) - показания второй оптопары и D(3,4) - третьей оптопары.
А
А
Согласно теории рассеивания плоской электромагнитной волны Ми, каплями и закону Бугера (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. М.: Мир. 280 С. 1987) отношение коэффициентов ослабления β=К(0,65)/К(3,4) излучения с λ=0,65 и 3,4 мкм аэрозолями существенно зависит от размера тонко дисперсных капель (см. таблицу №1) и это позволяет определять их диаметр с быстродействием до 0,05 с в атмосфере (Зуев В.Е., Кабанов M.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Москва. Высшая школа. 280 С. 1975). Например, при уменьшении d от 15 до 0,35 мкм отношение β возрастает от ≈ 1 до 100. Регистрация β≈1 означает, что в анализируемом аэрозоле практически отсутствует их тонкодисперсная фракция.
Поверхностная концентрация S=9,2 D/L тонкодисперсных аэрозолей определяется, как и в прототипе, по величине их оптической плотности, измеренной первой оптопарой при λ=0,65 мкм. Определение S и d позволяет рассчитать счетную концентрацию тонкодисперсных аэрозолей. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели с осуществлением одновременного измерения оптической плотности, поверхностной и счетной концентрации тонкодисперсных капель мкм, их диаметра d<15 мкм и объемной концентрации паров жидких углеводородов в атмосфере с быстродействием до 0,05 с.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере, где:
1.1 и 1.2 - первая оптопара с лазерным диодом 1.1 с длиной волны излучения 0,65 мкм марки ADL-65055TA2 и фотодиодом 1.2 марки BPW24R для его регистрации, закрепленными соосно внутри прямоугольного швеллера 2;
2.1 и 2.2 - вторая оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом 2.1 с длиной волны излучения 3.4 мкм марки LED34T08TEC и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 2.2 марки PD34T08TEC для его регистрации;
3.1 и 3.2 - третья оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом 3.1 с длиной волны излучения 3,4 мкм марки LED34T08TEC и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 3.2 марки PD34T08TEC для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами 12 и 13 с цилиндрическим корпусом 11 измерительной газовой кюветы 16;
1 - ребро прямоугольного швеллера 2;
2 - прямоугольный швеллер;
3 - прямоугольное отверстие в прямоугольном швеллере 2 для потока Q тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов через оптическую зону их анализа 4;
4 - оптическая зона анализа тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов;
5 - электронный блок устройства для его питания, управления, оцифровывания и передачи данных к удаленному компьютеру (на фиг. 1 не показан);
6 - котировочный элемент инфракрасного иммерсионного светодиода 2.1, закрепленные гибкой механической связью на внутренней поверхности прямоугольного швеллера 2;
7 - котировочный элемент инфракрасного иммерсионного фотодиода 2.2, закрепленные гибкой механической связью на внутренней поверхности прямоугольного швеллера 2;
8 - инфракрасный газоанализатор;
9 - цилиндрический канал;
10 - аэрозольный фильтр;
11 - цилиндрический корпус измерительной газовой кюветы 16;
12 - юстировочный элемент инфракрасного иммерсионного светодиода 3.1, связанные гибкой механической связью с цилиндрическим корпусом 11;
13 - юстировочный элемент инфракрасного иммерсионного фотодиода 3.2, связанные гибкой механической связью с цилиндрическим корпусом 11;
14 - побудитель потока смеси анализируемых паров жидких углеводородов с воздухом через инфракрасный газоанализатор 8;
16 - измерительная газовая кювета инфракрасного газоанализатора 8;
L - длина оптической зоны анализа 4 тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов;
1
L - длина оптической зоны анализа паров жидких углеводородов измерительной газовой кюветы 16 инфракрасного газоанализатор 8;
Q - объемный расход тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов через зону их оптического анализа 4;
1
Q - объемный расход смеси паров жидких углеводородов и воздуха через инфракрасный газоанализатор 8.
Осуществление полезной модели
1
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере, включающего прямоугольный швеллер 2 с прямоугольным отверстием 3 для анализируемого потока Q тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов через зону их оптического анализа 4, первую оптопару с лазерным диодом 1.1 с длиной волны излучения 0,65 мкм и фотодиодом 1.2 для его регистрации, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольного швеллера 2, вторую оптопару с инфракрасным иммерсионным светодиодом 2.1 с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 2.2 для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами 6 и 7, закрепленными на внутренней поверхности прямоугольного швеллера 2, инфракрасный газоанализатор 8 и электронный блок 5 устройства, закрепленный внутри швеллера 2, для его питания, управления, оцифровывания и передачи данных к удаленному компьютеру (на фигуре не показан). Инфракрасный газоанализатор 8 установлен на ребре 1 внутри прямоугольного швеллера 2 на выходе из зоны оптического анализа 4 и включает измерительную газовую кювету 16 с третьей оптопарой с инфракрасным иммерсионным светодиодом 3.1 с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 3.2 для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами 12 и 13 с цилиндрическим корпусом 11 измерительной газовой кюветы 16, состыкованным с цилиндрическим каналом 9 с аэрозольным фильтром 10 для ввода потока паров жидких углеводородов Q в измерительную газовую кювету 16 побудителем его расхода 14.
1
Длина L оптической зоны анализа 4 тонко дисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов первой и второй оптопарами совпадает с длиной L оптической зоны анализа паров жидких углеводородов третьей оптопарой в инфракрасном газоанализаторе 8.
A
П
A
0
A
А
П
0
П
П
A
A
П
П
0
П
A
0
П
A
В присутствии тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов согласно аддитивному закону ослабления излучения Бугера (Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.) оптическая плотность ТВС может быть рассчитана как D=D+D; D=lg(I/I)=К(λ)L; D=lg(I/I)=К(λ)СL, где D и К(λ) - оптическая плотность тонко дисперсных аэрозолей и их объемный спектральный коэффициент ослабления излучения с длиной волны λ, L - длина оптической зоны анализа 4, D и К(λ) - оптическая плотность паров с концентрацией С и коэффициент спектрального поглощения излучения молекулами жидких углеводородов; I - интенсивность излучения без ТВС, I - интенсивность излучения ослабляемого парами жидких углеводородов, I - интенсивность излучения ослабляемого тонкодисперсными аэрозолями. Значения I, I и I регистрируются фотодиодами 1.2; 2.2 и 3.2 первой, второй и третьей оптопар.
1
П
При анализе паров жидких углеводородов (керосин, мазут, нефть, дизельное топливо и т.п.) во второй и третьей оптопарах используется одинаковые инфракрасные иммерсионные светодиоды 2.1 и 3.1 с λ=3,4 мкм марки LED34T08TEC и одинаковые инфракрасные иммерсионные фотодиоды 2.2 и 3.2 марки PD34T08TEC (выпускаются ООО «ИоффеЛЕД»; www.ioffeled.com.) с одинаковой длиной оптической зоны анализа L=L. В результате их показания значений D совпадают.
П
A
В первой оптопаре излучение не поглощается атмосферными парами воды и жидких углеводородов, так как их К(λ)≈0 при λ=0,65 мкм. В результате, первая оптопара с лазерным диодом 1.1 марки ADL-65055TA2 и фотодиодом 7.2 марки BPW24R регистрирует только оптическую плотность аэрозолей D(0,65) при длине волны излучения 0,65 мкм.
A
П
Вторая оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом 2.1 с длиной волны излучения 3,4 мкм марки LED34T08TEC и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 2.2 марки PD34T08TEC регистрирует оптическую плотность D(3,4)=D(3,4)+D(3,4) при λ=3,4+/-0,2 мкм.
П
1
A
П
П
Третья оптопара с инфракрасным иммерсионным светодиодом 3.1 с λ=3,4 мкм марки LED34T08TEC и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 3.2 марки PD34T08TEC регистрирует оптическую плотность паров D(3,4) при λ=3,4 мкм, так как анализируемый поток Q фильтруется аэрозольным фильтром и тонкодисперсные аэрозоли не поступают в инфракрасный газоанализатор 8. В результате из показаний второй и третьей оптопар определяется оптическая плотность аэрозолей D(3,4)=D(3,4)-D(3,4) при λ=3,4 мкм, где D(3,4) - показания второй оптопары, D(3,4)-показания третьей оптопары.
А
А
А
A
1
Согласно теории рассеивания плоской электромагнитной волны Ми, каплями и закону Бугера (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. М.: Мир. 280 С. 1987) отношение коэффициентов ослабления излучения β=К(0,65)/К(3,4) с λ=0,65 мкм и 3,4 мкм существенно зависит от размера тонкодиспесрных аэрозолей. В таблице №1 приведены экспериментальные и рассчитанные согласно теории Ми значения отношения коэффициентов ослабления излучения β=К(0,65)/К(3,4) с λ=0,65 и 3,4 мкм тонкодисперсными аэрозолями керосина ТС-1, измеренные с помощью первой, второй и третьей оптопар в зоне их оптического анализа при L=L=5 см (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Москва. Высшая школа. 280 С. 1975). Из анализа данных таблицы №1 следует, что при уменьшении диаметра капель от 15 до 0,3-0,4 мкм отношение β возрастает от ≈ 1 до 100. Это позволяет определять величину d с быстродействием τ≈0,05 с. Регистрация β≈1 означает, что в анализируемом аэрозоле практически отсутствует тонкодисперсная фракция капель.
1
Устройство работает следующим образом. Его подвешивают на мачте или тросе с помощью блока подвески (на фигуре не показан) на высоте от 1 до 50 м. Анализируемый конвективный поток Q тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов поступает в оптическую зону их анализа 4 через прямоугольное отверстие 3. Одновременно, из зоны оптического анализа 4 отбирается побудителем расхода 14 в инфракрасный газоанализатор 8 через аэрозольный фильтр 10 анализируемый поток Q.
A
A
П
1
А
А
A
A
1
2
С помощью первой, второй и третьей оптопар определяются значения оптической плотности тонко дисперсных аэрозолей D(0,65); D(3,4) и паров жидких углеводородов D(3,4) при длине волны излучения λ=0,65 и 3,4 мкм и L=L. Это позволяет измерять концентрацию паров углеводородов с помощью калиброванного инфракрасного газоанализатора 8, поверхностную концентрацию тонкодисперсных аэрозолей S согласно закону Бугера по показаниям первой и второй оптопар и коэффициент ослабления β=К(0,65)/К(3,4)=D(0,65)/D(3,4) при L=L. Его величина зависит от диаметра тонко дисперсных капель согласно данным таблицы №1. Измерение S и d позволяет рассчитывать счетную концентрацию тонко дисперсных капель n=S/πd от времени с быстродействием до 0,05 с
Результаты анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов передаются каждые 0,02 с через интерфейс RS-485 по витой паре в удаленный компьютер, где программа обрабатывает данные.
Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели с осуществлением одновременного измерения оптической плотности, поверхностной и счетной концентрации тонкодисперсных аэрозолей, их размера с d=0,1-15 мкм и объемной концентрации паров жидких углеводородов в атмосфере с быстродействием до 0,05 с.
Пример.
1
1
1
2
2
3
3
Прямоугольный швеллер 2 был изготовлен из дюраля длиной 60 см и шириной 9 см. Длина прямоугольного отверстия 3 составляла L=5 см; мощность излучения лазерного диода 1.1 с λ=0,65 мкм была равна 5 мВт; диаметр и площадь поперечного сечения лазерного с λ=0.65 мкм и инфракрасного с λ=3.4 мкм пучков d≈0,6 см и S≈0.3 см; диаметр приемного объектива фотодиодов 1.2 и 2.2 совпадал с величиной d; диапазон измерения оптической плотности тонкодисперсных аэрозолей D≈0,001-3,5; измеряемая удельная поверхностная концентрация S=0,1-350 м/м; анализируемый объемный расход аэрозолей Q≤20000 см; диапазон рабочей температуры T=(-20)-(+55)°С. Быстродействие первой, второй и третьей оптопар составляло τ≤0.05 с. Диапазон измерения d=0,1-15 мкм.
A
П
Первая оптопара с лазерным диодом 1.1 марки ADL-65055TA2 и фотодиодом 1.2 марки BPW24R регистрировала только оптическую плотность аэрозолей D(0,65) при длине волны излучения 0,65 мкм. Причем, в ее оптической зоне 4 излучение с λ=0,65 мкм не поглощалось атмосферными парами воды и жидких углеводородов, так как их К(λ)≈0.
A
П
Вторая оптопара включала инфракрасный иммерсионный светодиодом 2.1 с длиной волны излучения 3,4+/-0,2 мкм марки LED34T08TEC и инфракрасный иммерсионный фотодиод 2.2 марки PD34T08TEC для регистрации оптической плотности D(3,4)=D(3,4)+D(3,4).
1
1
1
П
3
Анализ концентрации паров жидких углеводородов осуществлялся в инфракрасном газоанализаторе Д с третьей оптопарой согласно патенту РФ на полезную модель №201917. Он был установлен на ребре 1 по центру отверстия 3 внутри прямоугольного швеллера 2. В качестве побудителя расхода Q использовался мембранный компрессор 14 с расходом Q=150 см/с и напряжением питания 12 В. Анализируемые пары жидких углеводородов подавались в оптическую зону их анализа длиной L=5 см измерительной газовой кюветы 16 через стекловолокнистый аэрозольный фильтр 10 класса H11 для устранения влияния аэрозолей на показания третьей оптопары с инфракрасным иммерсионным светодиодом 3.7 с λ=3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом 3.2 для анализа D(3,4).
A
A
1
Созданное устройство использовалось при детектировании выбросов керосина ТС-1 в атмосферу с температурой около 20°С. Высота его подвески на мачте составляла 1,5 м. В результате были определены значения оптической плотности и поверхности тонкодисперсных аэрозолей, коэффициента ослабления β от диаметра капель и величина их счетной концентрации. В таблице №1 приведены измеренные и рассчитанные согласно теории Ми значения отношения коэффициентов ослабления излучения β=К(0,65)/К(3,4) с λ=0,65 и 3,4 мкм тонкодисперсными аэрозолями керосина ТС-1, измеренные с помощью первой, второй и третьей оптопар в зоне их оптического анализа при L=L=5 см (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 280 С. 1975). Одновременно, третьей оптопаров детектировалась объемная концентрация паров керосина от времени. Показано, что ее значения в выбросе были меньше концентрации насыщенных паров керосина.
Результаты одновременного анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров керосина передавались электронным блоком 3 с периодом 0,02 с по витой паре в удаленный до 1200 м компьютер (на фигуре показан), где программа обрабатывала и сохраняла полученные данные.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для измерения содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере с прототипом показывает, что в результате установки внутри прямоугольного швеллера второй оптопары с инфракрасным иммерсионным светодиодом с длиной волны излучения 3,4 мкм и инфракрасным иммерсионным фотодиодом для его регистрации, связанные гибкой механической связью котировочными элементами, закрепленными на внутренней поверхности прямоугольного швеллера, создания оптической зоны анализа капель и паров жидких углеводородов первой и второй оптопарами с длиной, равной длине оптической зоны анализа паров жидких углеводородов третьей оптопарой в инфракрасном газоанализаторе реализуется технический результат заявляемой полезной модели, заключающийся в улучшении технических характеристик устройства для анализа содержания тонкодисперсных аэрозолей и паров жидких углеводородов в атмосфере за счет расширения его функциональных возможностей путем осуществления одновременного измерения оптической плотности, концентрации и размера тонкодисперсных аэрозолей с одновременным анализом объемной концентрации паров жидких углеводородов с быстродействием до 0,05 с. Устройство по прототипу не позволяет осуществлять одновременное измерение оптической плотности, концентрации и размера тонкодисперсных аэрозолей с одновременным анализом объемной концентрации паров жидких углеводородов.