СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ
METHOD FOR DETERMINATION OF DISPERSION COMPOSITION OF AEROSOL PARTICLES IN EXHAUST GASES

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения размеров дисперсных частиц, может быть использовано в двигателях для оценки дисперсного состава выхлопных газов.
Дизели выбрасывают в окружающую среду с отработанными газами значительное количество твердых частиц сажи. Под понятие «твердые частицы», кроме частиц сажи, включаются частицы топлива, масел, твердые органически нерастворимые и органически растворимые фракции продуктов разложения углеводородов, сульфиты воды. Для понимания сложных процессов образования сажи нужны адекватные модели, для тестирования которых требуются измерения ряда параметров, в частности пространственного распределения образующихся частиц и их распределения по размерам. При этом важно, чтобы данные параметры измерялись способом, который не влияет на дисперсный состав частиц отработанных газов.
Известен способ определения размеров аэрозольных частиц, заключающийся в том, что аэрозольные частицы облучают пучком монохроматического излучения, регистрируют величины потоков рассеянного вперед этого излучения, определяют апертурный угол Θ фотоприемника, при котором поток монохроматического излучения, рассеянный в конусе с апертурным углом Θ, составляет половину всего рассеянного потока излучения, и находят размеры аэрозольных частиц (патент RU 2098794, МПК 6 G01N 15/02).
Основным недостатком этого способа является повышенная трудоемкость определения размеров аэрозольных частиц, связанная с необходимостью проведения нескольких замеров, без автоматизации обработки результатов измерения, причем при реализации способа необходимо знать величину показателя преломления среды суспензии, который меняется при изменении среды, состоящей из полидисперсных частиц. Кроме того, способ не обладает достаточно широкими технологическими возможностями, так как его применение ограничено минимальным апертурным углом фотоприемника, от которого возможно производить измерения, и, следовательно, существуют минимальные диаметры частиц, меньше которых производить измерения нельзя.
7
Известен способ определения дисперсности аэрозольных частиц, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что пропускают пучок оптического излучения через экран с n параллельными темными и светлыми полосками, на котором светлые полоски расположены с увеличивающимся расстоянием друг от друга от одного края экрана до другого. Облучают мелкодисперсный объект, то есть область аэрозольных частиц, этим модулированным по интенсивности в его сечении пучком оптического излучения при пропускании этого пучка через область аэрозольных частиц. Формируют изображение на экране из потоков рассеянного и прошедшего через область аэрозольных частиц пространственно модулированного пучка оптического излучения. Дисперсность аэрозольных частиц определяют визуально по положению границы появления радужной картины в изображении экрана с помощью градуированной кривой или по градуированной кривой, подписанной между белыми полосками в виде шкалы (патент RU 2235990 С1, МПК G01N 15/02).
Недостатками способа являются субъективность определения дисперсности аэрозольных частиц, основанная на визуальном контроле размеров аэрозольных частиц по положению границы появления радужной картины в изображении экрана и с последующим определением по ней размеров частиц по градуированной кривой, и отсутствие автоматизации определения размеров аэрозольных частиц, так как для полидисперсного аэрозоля дифракционные картины от частиц разных размеров накладываются друг на друга, поэтому применение способа ограничено «критическими» размерами частиц, при которых появляется радужная окраска в изображении экрана, по которой в последующем визуально производят измерения размеров частиц.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего объективно регистрировать в процессе движения дисперсного потока аэрозольных частиц весь диапазон размеров частиц и автоматизировать результаты измерения их размеров.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения дисперсного состава аэрозольных частиц в выхлопных газах, при котором пучок оптического излучения пропускают через область аэрозольных частиц, облучают область аэрозольных частиц этим пучком оптического излучения, формируют изображение на экране из потоков рассеянного и прошедшего через область аэрозольных частиц оптического излучения и судят о дисперсном составе аэрозольных частиц, согласно изобретению в качестве пучка оптического излучения используют лазерный луч, размеры которого увеличивают путем пропускания через образованный двумя линзами коллиматор, обрезают полученный лазерный луч по размеру цифровой матрицы видеокамеры посредством диафрагмы и после облучения области аэрозольных частиц этим лазерным лучом полученный поток рассеянного аэрозольными частицами лазерного излучения направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры и формируют изображение на экране цифровой матрицы из потока прошедшего через область аэрозольных частиц оптического излучения для регистрации голограммы микрочастиц. При этом перед облучением области аэрозольных частиц лазерным лучом последний направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры и формируют изображение на экране из потока оптического излучения для регистрации голограммы без микрочастиц. О дисперсном составе аэрозольных частиц судят после перевода полученной голограммы микрочастиц и голограммы без микрочастиц в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя путем вычитания картины голограммы без микрочастиц из картины голограммы микрочастиц и вычитания из полученной при этом картины постоянной засветки цифровой матрицы скоростной видеокамеры.
Основной особенностью способа является прямая регистрация голограммы на цифровую матрицу скоростной видеокамеры. Голограмма образуется на экране цифровой матрицы видеокамеры как результат интерференции опорного пучка оптического излучения в виде лазерного излучения и предметного излучения преимущественно в виде выхлопных газов. Использование в качестве опорного пучка оптического излучения лазерного луча, размеры которого увеличивают путем пропускания через образованный двумя линзами коллиматор, применение осевой схемы записи голограммы микрочастиц, находящихся в процессе движения дисперсного потока микрочастиц, регистрация голограммы микрочастиц на цифровую матрицу скоростной видеокамеры с последующей цифровой обработкой полученного изображения микрочастиц и вводом этой информации в персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) позволяют автоматизировать процесс измерения размеров аэрозольных частиц и автоматически строить гистограммы распределения дисперсных частиц по размерам. Разностная процедура записи голограммы микрочастиц позволяет объективно регистрировать в процессе движения дисперсного потока аэрозольных частиц весь диапазон размеров частиц путем исключения любых технических погрешностей, связанных с неравномерностью освещения, неизбежных интерференционных явлений, не связанных с исследуемым аэрозольным излучением, поскольку любые аддитивные погрешности для двух снимков будут одинаковыми и исчезнут в результате вычитания.
Предлагаемый способ определения дисперсного состава аэрозольных частиц преимущественно в выхлопных газах поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен процесс записи голограммы дисперсного потока аэрозольных частиц; на фиг.2 схематично изображено устройство по забору микрочастиц из выхлопного коллектора двигателя; и на фиг.3 приведена гистограмма распределения числа микрочастиц по размерам, где по горизонтальной оси отложены диаметры d микрочастиц в мкм, а по вертикальной оси - число N микрочастиц.
Для исследования движения аэрозольных частиц, например, выхлопных газов наиболее целесообразно использовать осевую схему записи голограммы (фиг.1). Голограмму получают на регистрирующем материале 1 как результат интерференции опорного пучка 2 и предметного излучения 3, выходящего из трубки-подвода 4 отработанных газов (ОГ) двигателя. В качестве опорного пучка 2 используют широкоапертурный когерентный лазерный луч, а в качестве предметного излучения 3 - ОГ автомобильного двигателя.
Устройство по забору микрочастиц из выхлопного коллектора двигателя содержит гелий-неоновый лазер 5, коллиматор 6, диафрагму 7, скоростную видеокамеру 8, крепежную станину 9, аналого-цифровой преобразователь 10, ПЭВМ 11. При этом использованы гелий-неоновый лазер 5 марки ЛГ-72, скоростная видеокамера 8 марки VS-CTT-285-2001. Лазер 5, коллиматор 6, диафрагма 7, скоростная видеокамера 8 закреплены на крепежной станине 9 и расположены последовательно на одной продольной оси. Зонд 12 для отбора ОГ с одной стороны вмонтирован в прямой участок 13 выхлопного коллектора, с другой стороны соединен с гибким подводом 14 ОГ. Гибкий подвод 14 ОГ связан с трубкой-подводом 4 ОГ, размещенной между скоростной видеокамерой 8 и диафрагмой 7. Зонд 12 для отбора ОГ выполнен в виде металлической трубки, торец которой, вмонтированный в участок 13 выхлопного коллектора, срезан под углом, причем срез направлен навстречу потоку ОГ (фиг.2).
Способ определения дисперсного состава аэрозольных частиц преимущественно в выхлопных газах осуществляется следующим образом. В качестве пучка 2 оптического излучения используют лазерный луч гелий-неонового лазера 5. Размеры лазерного луча увеличивают путем пропускания через образованный двумя линзами коллиматор 6, который предназначен для увеличения размеров лазерного луча, что необходимо для полной засветки матрицы видеокамеры 8. При дальнейшем движении излучения полученный лазерный луч обрезают по размеру цифровой матрицы видеокамеры 8 посредством диафрагмы 7.
Перед облучением области аэрозольных частиц лазерным лучом его направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры 8 и формируют изображение на экране цифровой матрицы видеокамеры 8 из потока рассеянного оптического излучения для регистрации голограммы без микрочастиц.
ОГ с аэрозольными частицами через зонд 12 по гибкому подводу 14 и трубку-подвод 4 подают в область потока оптического излучения. Пучок 2 оптического излучения направляют на область движущегося потока аэрозольных частиц и облучают область аэрозольных частиц этим пучком 2 оптического излучения. После облучения области аэрозольных частиц этим лазерным лучом полученный поток рассеянного аэрозольными частицами лазерного излучения направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры 8. В результате на экране цифровой матрицы видеокамеры 8 формируют изображение из потока прошедшего через область аэрозольных частиц оптического излучения для регистрации голограммы микрочастиц.
Затем при поступлении сигналов со скоростной видеокамеры 8 в аналого-цифровой преобразователь 10 полученные голограммы микрочастиц и голограммы без микрочастиц переводят в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 10 и ПЭВМ 11 путем вычитания картины голограммы без микрочастиц из картины голограммы микрочастиц и вычитания из полученной при этом картины постоянной засветки цифровой матрицы скоростной видеокамеры и в дальнейшем судят о дисперсном составе аэрозольных частиц. При этом посредством ПЭВМ 11 обрабатывается цифровая форма сигналов, выдается информация о размерах и пространственном расположении аэрозольных частиц в ОГ и автоматически выполняются построения гистограмм распределения аэрозольных частиц по размерам (фиг.3).
Кроме того, с использованием компьютерной программы ПЭВМ 11 можно при восстановлении объекта по голограмме на ПЭВМ переходить от непрерывных к дискретным величинам и получать цифровую модель для обработки экспериментальных данных.
Полученные гистограммы могут быть использованы на станциях технического обслуживания автомобилей для контроля выбросов твердых микрочастиц в окружающую среду двигателями автомобилей, а также для контроля технологических процессов измельчения каких-либо веществ до определенной степени дисперсности.