СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В АЭРОЗОЛЬНОМ ПОТОКЕ
METHOD FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF THE DISPERSED PHASE IN AN AEROSOL STREAM

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения различных параметров дисперсных частиц или капель в потоках газа (или прозрачной жидкости), таких как скорости и размеры частиц, их функции распределения, концентрация частиц. В качестве дисперсной компоненты потока газа (жидкости) могут выступать капли жидкости (например, воды) или твердые частицы (пыль, дым, туман). Также предлагаемый способ может быть использован в области экологии для мониторинга окружающей среды, загрязненности и запыленности атмосферы аэрозолями, в частности для непрерывного контроля уровня вредных аэрозолей (капли, пыль, дым, туман) в воздухе, при изучении образования и эволюции аэрозольных облаков, в экспериментальной гидро- и аэродинамике, в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования поля скоростей в потоках газовых или конденсированных сред.
Уровень техники
Большинство бесконтактных оптических методов диагностики параметров движения потока газа (жидкости) основаны на явлении рассеяния лазерного излучения твердыми или жидкими микрочастицами (каплями) в потоке, показатель преломления которых отличается от показателя преломления основной среды в потоке [Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 536 с.]. Распространение света в среде с частицами определяется процессами рассеяния и поглощения [К. Барен, Д. Хафмен, Поглощение и рассеяние света малыми частицами, М.: Мир, 1986, 660 с.]. Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения картины скоростей течения газа являются различные виды лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), позволяющей измерять скорости микрочастиц в потоке газа в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys М., Damascke N., Тгореа С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer, 2003, 738 р.]. В ЛДА излучение лазера расщепляется на два луча, которые затем пересекаются в точке измерения. Пересечение лучей лазера создает картину интерференции света вдоль оси потока. Частицы, проходящие через зону измерения, рассеивают свет, что создает периодический оптический сигнал, частота модуляции которого пропорциональна скорости частиц в потоке.
Также широко известна цифровая визуализация треков изображений частиц в воздушном потоке (PIV - particle image velocimetry), которая применяется для анализа поля скоростей частиц в фиксированном сечении потока [M. Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans, Particle Imaging Velocimetry, Berlin: Springer-Verlag, 2001, 269 p], а также для измерения размеров частиц в потоках аэрозоля [«Способ определения размера капель в аэрозоле», патент RU 2569926 С1, опубл. 10.12.2015, Бюл. №34]. Способ заключается в регистрации треков изображений движущихся частиц на фотоприемной матрице при видеосъемке. Частицы движутся в выделенном световой плоскостью сечении исследуемой среды. Выделенная световая плоскость формируется лазерным излучением с помощью системы линз. Частицы или капли, подсвеченные лазером, на видеоизображении дают треки, ширина которых равна диаметру капель, а длина пропорциональна времени экспозиции и скорости движения капли.
Существует несколько бесконтактных оптических методов, основанных на регистрации рассеянного лазерного излучения, которые позволяют проводить измерения размеров аэрозольных частиц. Названные методы можно разделить на две группы: методы, в которых определяются характеристики отдельных капель, и методы, основанные на анализе характеристик света, рассеянного ансамблем капель в коллимированном лазерном пучке [Диденко А.А., Бирюк В.В., Лукачев СВ., Матвеев С.Г., Лазерно-оптические методы диагностики процессов горения, Самара, Издательство СГАУ, 2006]. Методы первой группы с наблюдением отдельных капель дают довольно хорошее пространственное разрешение и довольно высокое значение отношения сигнал/шум, но применимы лишь к потокам со сравнительно небольшими концентрациями капель. Вторая группа методов позволяет изучать системы с гораздо более высокими счетными концентрациями капель, чем методы, в которых анализируются отдельные капли. Однако они не позволяют получить хорошего пространственного разрешения и не дают возможности измерять скорость капель, что ограничивает их применимость в области исследования аэрозольных потоков. Кроме того, эти методы требуют использования априорного предположения о виде функции распределения частиц по размерам, параметры которого затем подбираются так, чтобы аппроксимировать фактически наблюдаемое распределение.
Например, для определения размеров аэрозольных капель используется оптический метод, основанный на измерении интенсивности углового рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны лазерного излучения на частицах аэрозоля [ГОСТ Р 8.777-2011]. Индикатриса рассеяния регистрируется, например, фотоприемной матрицей. Затем путем решения обратной задачи рассеяния для сферических частиц определяют средний размер частиц и их концентрацию. В зависимости 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 под углами 0 и 180°.
Недостатками выше упомянутых способов и устройств на их основе являются достаточно сложная и дорогая конструкция оптических систем, сложные процедуры их калибровки и вследствие этого ограниченность их применения в полевых условиях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения скорости частиц в газовом потоке на основе лазерно-оптического времяпролетного метода («Оптический времяпролетный велосиметр», патент RU 2385461 С2, опубл. 27.03.2010, Бюл. №9). В упомянутом устройстве использован двухфокусный лазерный метод (Laser-Two-Focus method или L2F-велосиметрия), при котором свет от одного или двух лазеров фокусируется в двух точках вдоль оси потока, которые отделены друг от друга на известное расстояние. Частицы в потоке при прохождении через эти две фокусные точки рассеивают свет, который направляется на фотодетектор. Результирующий сигнал состоит из коротких импульсов, и путем измерения времени задержки между соседними импульсами можно определять скорость частиц. Благодаря тому, что интенсивность света фокусируется лишь в двух точках, времяпролетный двухфокусный лазерный метод является более чувствительным по сравнению с методом лазерного доплеровского анемометра. Это является предпочтительным в некоторых случаях, например, при измерениях в трубных потоках природного газа, которые содержат очень малые по размеру частицы, меньше 1 микрона.
Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем:
а) устройство на основе данного способа не позволяет измерять размеры частиц в потоках газа или жидкости;
б) устройство на основе данного способа не позволяет измерять концентрацию частиц в потоке;
в) устройство на основе данного способа имеет достаточно сложную оптическую систему и потому его применение в полевых условиях ограничено.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является повышение эффективности измерений характеристик нестационарных аэрозольных потоков за счет измерения нескольких параметров формы импульсов рассеянного света от аэрозольных частиц, пролетающих через луч лазера с гауссовым распределение интенсивности, а также упрощение и удешевление устройства за счет использования упрощенной однолучевой оптической схемы измерения рассеянного света с одним фотоприемником.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность одновременного определения скоростей капель или частиц, распределения их размеров и концентрации в аэрозольном потоке, в том числе нестационарном.
Для достижения технического результата предложен способ определения параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке, заключающийся в том, что определяют скорость дисперсной фазы в аэрозольном потоке путем фокусировки света от одного или двух лазеров в двух точках вдоль оси аэрозольного потока, которые отделены друг от друга на известное расстояние, с последующим направлением рассеянного частицами света на фотодетектор, при этом, одномодовое лазерное излучение фокусируют с помощью первой линзы и первой диафрагмы в одной точке аэрозольного потока в перетяжку с заранее измеренным известным гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении луча, рассеянный пролетающими частицами в области перетяжки свет фокусируют с помощью второй линзы и второй диафрагмы на площадке фотодетектора, регистрируют формы импульсов рассеянного света на площадке фотодетектора электронным блоком и быстродействующим аналого-цифровым преобразователем, с помощью специальной программы на компьютере обрабатывают формы импульсов, определяют их амплитуды и полуширины, количество зарегистрированных импульсов, вычисляют скорости частиц, вычисляют распределение по размерам и концентрации частиц, проводят расчет и визуализацию результатов измерений скорости частиц, их размеров и концентрации в аэрозольном облаке с помощью компьютерной программы.
Сущность предлагаемого способа состоит в измерении формы импульсов рассеянного света от аэрозольных частиц, которые пролетают через луч лазера с известным гауссовым распределением интенсивности, и последующей математической обработки формы импульсов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема аппаратуры для определения параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке, где:
1 - компьютер;
2 - электронный блок с быстродействующим аналого-цифровым преобразователем;
3 - фотодетектор;
4 - вторая линза;
5 - вторая диафрагма;
6 - лазер,
7 - поток аэрозоля;
8 - первая диафрагма;
9 - первая линза.
На фиг. 2 приведен пример нескольких зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке общей длительностью около 0,3 с.
На фиг. 3 показана полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов гистограмма числа капель воды в зависимости от их скорости в таком импульсном аэрозольном потоке и соответствующая полученная логарифмически-нормальная функция распределения скоростей капель воды в аэрозольном потоке.
На фиг. 4, приведена гистограмма числа капель воды в зависимости от их размера для экспериментального импульсного аэрозольного потока, полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель, и соответствующая подгонка для логнормальной функции распределения размеров капель.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ реализуется с помощью аппаратуры, схема которой показана на фиг. 1, которая включает один быстродействующий фотодетектор 3 (например, фотодиод или фототранзистор) и одномодовый лазер 6 (например, диодный или газовый), набор линз 4 и 9 и диафрагм 5 и 8. Электрический сигнал фотодетектора 3 регистрируется с помощью электронного блока с быстродействующим аналого-цифровым преобразователем 2, включающего быстрый АЦП с буферной памятью. Окончательная обработка сигнала и визуализация результатов измерений производится с помощью компьютера 1.
Определение параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке проводят следующим образом. Аэрозольный поток 7 направляется через область фокусировки лазерного луча, в которой создается гауссово распределение интенсивности. Если внешний поток отсутствует, то используется прокачка с помощью встроенного побудителя расхода (на фиг. 1 не показан). Излучение одномодового лазера 6, сфокусированное с помощью первой линзы 9 и первой диафрагмы, образует перетяжку с заранее измеренным известным гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении луча. Каждая из частиц в потоке аэрозоля 7 при пролете через область перетяжки приводит к импульсу рассеянного света в течение времени пролета. Рассеянный в области перетяжки свет с помощью второй линзы 4 и второй диафрагмы 5 собирается в диапазоне углов, ограниченных диафрагмой, и фокусируется на площадке фотодетектора 3. Результирующий сигнал на фотодетекторе 3 представляет собой временную последовательность импульсов, каждый из которых соответствует пролету одной капли или частицы через область перетяжки лазерного луча. Одновременное определение параметров аэрозольного потока, таких как скорость и размер каждой частицы, функции распределения скоростей и размеров частиц, концентрация частиц, сводится к измерению характерных параметров формы каждого импульса рассеянного света и общего числа импульсов за время регистрации.
Например, длительность каждого импульса рассеянного света определяется скоростью пролета капли через луч. Амплитуда импульса определяется интенсивностью рассеяния света, которая зависит от размера капли. Число импульсов соответствует числу частиц, пролетевших через область перетяжки с известными размерами за время регистрации, и определяется концентрацией частиц в потоке. Обработка формы импульсов, определение их амплитуды и полуширины, числа зарегистрированных импульсов производится с помощью специальной программы на компьютере 1.
В предложенном способе используется тот факт, что распределение интенсивности излучения одномодового лазера 6 в поперечном сечении перетяжки описывается гауссовой функцией. В этом случае вдоль любой прямой в поперечном сечении одномодового лазерного луча будет наблюдаться гауссово распределение интенсивности с разной амплитудой, но одной и той же полушириной. Благодаря этому свойству при пролете частиц малых размеров с одинаковой скоростью через область перетяжки форма регистрируемых импульсов рассеянного света будет описываться гауссианами с одинаковой полушириной, которая соответствует времени пролета частиц через область перетяжки. Таким образом полуширина регистрируемых фотодетектором импульсов, каждый из которых соответствует пролету частицы через область перетяжки, будет одинаковой при любой траектории частиц в поперечном сечении луча (даже при пролете частиц не по центру сечения), если скорости частиц одинаковы и перпендикулярны лучу. В результате скорость каждой частицы, пролетевшей через область перетяжки, можно определить зная диаметр перетяжки (например, по полуширине интенсивности) и измеряя длительность (например, по полуширине) каждого регистрируемого импульса. При условии малости размеров частиц по сравнению с диаметром перетяжки скорость частицы определяется как отношение этих двух величин. Функцию распределения частиц по скоростям определяют по построенной гистограмме числа импульсов, зарегистрированных фотодетектором 3, в зависимости от скорости.
Другой возможный вариант реализации данного способа заключается в создании постоянного распределения интенсивности излучения с прямоугольным поперечным сечением с известными размерами в детектируемом объеме. Подобную форму сечения пучка или детектируемой области в потоке можно осуществить с помощью соответствующей формы дифрагм или фокусировки излучения, рассеянного частицами в детектируемой области, на прямоугольную приемную площадку фотоприемника с известными размерами.
s
0
s
0
Распределение аэрозольных частиц по размерам в данном способе находят следующим образом. Амплитуда импульса I на фотодетекторе 3 определяется интенсивностью рассеянного света при пролете капли через область перетяжки и зависит от размера капли. При достаточно больших размерах частиц d, когда выполняется условие πd/λ>>1, сечение рассеяния света на частице пропорционально квадрату диаметра частицы [Н.-Е. Albrecht, М. Borys, N. Damaschke, с. Tropea, Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003]. Если капля пролетает через область перетяжки на расстоянии л от оси луча, причем распределение интенсивности луча перпендикулярно оси описывается гауссианом I(х), то амплитуда импульса рассеянного света I(x, d) при условии d/λ>>1 пропорциональна квадрату размера капель d и интенсивности лазера I(x) на расстоянии x от оси перетяжки:
s
где с - коэффициент, который зависит в частности от диаграммы рассеяния частиц и угла расположения фотодетектора. При выполнении условия геометрического рассеяния d/λ>>1 диаграмма рассеяния таких частиц в прямом направлении имеет угол около 20° и коэффициент с можно считать приблизительно постоянным [Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 536 с.]. Интенсивность света, рассеянного от частиц разного размера, будет одинаковой при пролете частиц на разном расстоянии х от оси луча и равной I(0, d), если для размера частиц выполняется уравнение
o
o
s
где а(x)=c I(0)/I(x) - коэффициент, характеризующий гауссов профиль интенсивности излучения на расстоянии х от оси перетяжки, который на разных расстояниях имеет одну и ту же полуширину и отличается лишь амплитудой. По зарегистрированным импульсам рассеянного света компьютерной программой строится гистограмма, которая отображает число импульсов в зависимости от квадратного корня из их амплитуды I. Параметры функции распределения числа капель по диаметру определяют путем численной подгонки параметров модельной функции к измеренной гистограмме. Эта модельная функция описывает распределение числа капель в зависимости от интенсивности рассеянного ими света и определяется следующим образом
где F(d, μ, σ) - плотность функции распределения капель по диаметру (обычно априори предполагается логнормальное или нормальное распределение), J - диаметр капель, μ - средний размер капель, σ - дисперсия распределения. Заметим, что выражение для модельной функции учитывает тот факт, что частицы могут пролетать не по центру, а на расстоянии от оси луча. Параметры функции распределения капель по диаметрам: средний диаметр μ и дисперсия σ, - входят в параметры модельной функции. Численная подгонка этих параметров к измеренной гистограмме позволяет определить распределение числа капель по размеру.
Концентрацию частиц К в аэрозольном потоке определяют согласно выражению:
где N - число частиц аэрозоля, пролетевших через область перетяжки за время измерения, которое равно числу зарегистрированных импульсов; t - время измерения; ν - скорость потока; S - площадь области перетяжки, сфокусированной на фотодетекторе 3.
Заметим, что возможность измерять большие концентрации капель ограничивается возможностью регистрации формы отдельных импульсов на фотодетекторе 3, каждый из которых соответствует пролету капли через область перетяжки лазерного луча. В свою очередь возможность регистрации формы отдельных импульсов определяется размерами перетяжки, скоростью частиц, быстродействием фотодетектора и электронного блока с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Сбор данных, расчет и визуализация результатов измерений скорости частиц, их размеров и концентрации в аэрозольном потоке производятся с помощью специально разработанной программы на компьютере.
Конкретный пример реализации предложенного способа.
В аппаратуре (фиг. 1) был использован одномодовый диодный лазер с длиной волны излучения 632 нм и мощностью 15 мВт. Фокусирующая линза после лазера обеспечивала образование перетяжки с гауссовым профилем интенсивности излучения полушириной D=150 мкм. Параметры распределения интенсивности в поперечном сечении области перетяжки были измерены цифровым микроскопом с фильтрами. Фото детектор на основе фототранзистора BPW85B был расположен под углом 13° к оси лазерного луча. Регистрация формы импульсов рассеянного света производилась фотодетектором, соединенным с быстродействующим АЦП АКИП 72207А (100 МГц, 1 Гвыб/с) и компьютером со специальной программой обработки формы и числа зарегистрированных импульсов. Программа определяет по форме импульсов амплитуду и полуширину каждого импульса, число импульсов и строит гистограммы числа частиц (капель) в зависимости от их скорости и размера, вычисляет концентрацию частиц (капель) в потоке.
Пример нескольких зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке общей длительностью около 0,3 с приведен на фиг. 2. Скорость капли ν вычислялась специальной программой для каждого импульса как
где D - полуширина гауссова профиля интенсивности излучения в области перетяжки, t - полуширина импульса по времени.
На фиг. 3 показана полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов гистограмма числа капель воды в зависимости от их скорости в таком импульсном аэрозольном потоке и соответствующая полученная логарифмически-нормальная функция распределения скоростей капель воды в аэрозольном потоке.
На фиг. 4, как пример, приведена гистограмма числа капель воды в зависимости от их размера для экспериментального импульсного аэрозольного потока, полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель, и соответствующая подгонка для логнормальной функции распределения размеров капель. Функция распределения капель по размерам определялась по измеренной гистограмме согласно формуле (3). Переход от относительных величин диаметра, которые пропорциональны квадратному корню из амплитуды импульсов при условии d/λ>>1, к абсолютным значениям был проведен путем калибровки измерительной системы. Калибровку осуществляли путем измерения с помощью микроскопа абсолютного размера капель, осажденных из того же аэрозольного потока на гидрофобную подложку, построения соответствующей калибровочной гистограммы и сопоставления параметров калибровочного и экспериментального распределений по размерам.
-3
2
Средняя численная концентрация капель в экспериментальном импульсном аэрозольном потоке K=1590 см была определена согласно формуле (4) с учетом следующих параметров: S=0,5 мм - площадь детектируемой области, отображенной на фотоприемник, ν=4 м/с - средняя скорость капель в потоке, время усреднения - t=0,2 с. Заметим, что в случае нестационарного потока имеется также возможность измерять численную, объемную и массовую концентрацию капель в зависимости от времени.
Таким образом с помощью предложенного способа можно измерять скорости отдельных частиц или капель в потоке газа или жидкости, распределение по размерам и скоростям частиц в стационарных и нестационарных потоках в зависимости от времени, общее количество, а также концентрацию частиц в зависимости от времени. На основе нескольких подобных устройств, расположенных в различных местах, можно организовать многоканальную измерительную сеть с дистанционным сбором данных на компьютер.