УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОРАССЕЯНИЯ В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКАХ
DEVICE FOR MEASURING OPTICAL LIGHT SCATTERING CHARACTERISTICS IN TWO-PHASE GASDYNAMIC FLOWS

Изобретение относится к области исследования двухфазных газодинамических потоков, в частности, к технике определения параметров твердой или жидкой фазы потока оптическими средствами и может быть использовано для измерения распределения частиц по размерам бесконтактным методом, а также таких параметров, как оптическая плотность, коэффициент ослабления света двухфазной струей.
01
04
Известно устройство для определения распределения частиц полидисперсных сред по размерам (Голиков В.И., Шифрин К.Ш. Устройство для определения распределения частиц полидисперсных сред. А.с. СССР №125399. Кл. 421 20 421 20 Опубл. 01.01.1960 г). Оно содержит рабочую камеру, снабженную оптической системой, обеспечивающей засветку частиц в камере параллельным пучком света заданной интенсивности, а также объектив, имеющий в фокальной плоскости точечную диафрагму, за которой расположен фотоэлемент. Для измерения индикатрисы в области малых углов фотоэлемент перемещается специальным развертывающим механизмом. Недостатками такого устройства являются: 1) исследование только крупнодисперсной фракции рассеивающей среды (диаметр частиц от нескольких единиц до нескольких десятков микрон); 2) наличие линзы в фотометрической части устройства вносит дополнительные трудно учитываемые погрешности, связанные с рассеиванием и ослаблением света в этом элементе; 3) применение развертывающего устройства требует определенного времени для измерения индикатрисы, что не всегда удобно, особенно при исследовании временной изменчивости структуры потока и невозможно при работе в ударных трубах.
Известно устройство для измерения индикатрисы рассеяния в широком диапазоне углов (Сандимиров В.А., Макеев К.И., Баранов Ю.П. Родин А.А. Нефелометр для измерения индикатрисы рассеяния аэрозолей. А.с. СССР №1383165. G01N 21/47, опубл. 23.03.88. Бюл.№11). Это достигается введением поворотного зеркала с соответствующим механизмом вращения. Также имеется объектив и диафрагма, поле зрения которой меняется в зависимости от угла визирования с помощью кулачка определенной формы, связанного с механизмом вращения зеркала. Недостатками такого устройства являются: 1) наличие развертывающего устройства (см. выше); 2) наличие переменной диафрагмы, предназначенной для изменения поля зрения устройства в зависимости от угла рассеяния, приводит к необходимости введения трудно учитываемых поправок на величину рассеивающего объема; 3) конструкция не предназначена для работы в области малых углов рассеивания и не может быть использована для исследования крупной фракции аэрозоля.
Известно устройство, принятое за прототип, предназначенное для измерения индикатрис рассеяния в диапазоне углов 10÷170° (Торопова Т.П., Тен А.П., Бушуева Г.В. Токарев О.Д. Оптические свойства приземного слоя атмосферы. - В Сб. Ослабление света в земной атмосфере. Алма-Ата, 1976, с.33-113). Оно представляет собой источник зондирующего излучения (прожектор), оптически связанный через рассеивающий объем с фотометрической частью, выполненной в виде фотометра с двумя линзами, собранного по схеме Фабри, закрепленного на вращающемся кронштейне и предназначено для исследования оптических свойств аэрозоля в приземном слое атмосферы. Недостатки устройства громоздкость (радиус поворота фотометра около полутора метров), время измерения одной индикатрисы в указанном диапазоне углов составляет от 5 до 10 мин в зависимости от устойчивости оптических свойств аэрозоля; устройство не предусматривает измерений в области малых углов рассеяния, следовательно, не может быть использовано для исследования крупной фракции аэрозоля.
Фотометрическая часть вышеописанных устройств содержит, как правило, фотометр с объективом, диафрагму поля зрения, механизм перемещения либо всего фотометра, либо фотоприемника, а также усилитель и систему регистрации. Это довольно громоздкая система с большим временем регистрации сигналов. Кроме того, наличие линзового объектива приводит к дополнительным погрешностям при измерениях света, рассеянного под малыми углами, в так называемой области ореола - единицы градусов и менее одного градуса. Яркий свет от источника зондирующего излучения, рассеиваясь на стекле линзы, является источником трудно учитываемых ошибок измерений. При измерениях в условиях отрицательных температур, например, при исследовании переохлажденных водо-воздушных газодинамических потоков, объектив заиндевает, что тоже влияет на качество измерений.
Индикатриса рассеяния, как известно, представляет собой угловую зависимость показателя направленного рассеяния (ГОСТ 26148-84 Фотометрия. Термины и определения. Введен с 1.07.1985 г) - параметра, характеризующего количество света, рассеянного в единице телесного угла под определенным углом относительно направления зондирующего излучения. Причем за нулевой угол принято направление прямо на источник света. Часто, устройства, измеряющие рассеяние света называют нефелометрами. Результаты, полученные с помощью таких устройств, дают возможность получить, по известным методикам, информацию о частицах, содержащихся в исследуемой среде.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является создание прибора, способного быстро измерить индикатрису рассеяния света в двухфазном газодинамическом потоке, вычислить такую характеристику дисперсной фазы двухфазного газодинамического потока, как распределение частиц по размерам, исследовать динамику этого параметра в зависимости от различных факторов. Кроме того, может представлять интерес информация об изменении формы индикатрисы рассеяния, например в случае, когда требуется установить факт наличия каких либо частиц в газовом потоке (конденсация при резком изменении давления в ударной трубе), а также информация о коэффициенте поглощения света дисперсной фазой потока.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для измерения оптических характеристик рассеяния света в двухфазных газодинамических потоках, содержащем источник зондирующего излучения, оптически связанный через рассеивающий объем с фотометрической частью, фотометрическая часть выполнена в виде набора одинаковых фотометрических камер без линз, расположенных по полукольцу, оптические оси которых расположены под фиксированными углами рассеяния.
Фиг.1 - устройство для измерения оптических характеристик светорассеяния в двухфазных газодинамических потоках.
Фиг.2 - отдельно взятая фотометрическая камера.
Фиг.3 - структурная схема ореольного нефелометра.
Устройство для измерения оптических характеристик Фиг.1, представляет собой кольцевой нефелометр, в котором 1- источник зондирующего излучения; 2 - коллиматор; 3 - поле зрения фотометрических камер (чтобы не загромождать, чертеж показано только два); 4 - одна из фотометрических камер без линз, содержащая фотоприемник 5 и расположенная полукругом на полукольце 6, основе, на которой закреплены камеры; 7 - камера фона; 8 - нейтральные ослабители.
Устройство работает следующим образом. Двухфазный поток направлен перпендикулярно плоскости чертежа. Он облучается светом от источника зондирующего излучения 1. Параллельный луч света от источника формируется коллиматором 2. Свет, рассеянный на частицах потока попадает в поле зрения 3 фотометрических камер 4 и регистрируется фотоприемником 5. Устройство исследует рассеивающие объемы, ограниченные зондирующим лучом света и телесными углами фотометрических камер. Таким образом, источник зондирующего излучения 1 оказывается оптически связан через рассеивающий объем с фотометрической частью, которая выполнена в виде набора одинаковых фотометрических камер без линз, расположенных по полукольцу 6 и оптические оси которых расположены под фиксированными углами рассеяния.
Количество камер определяются задачами, стоящими перед устройством. Например, если исследуется субмикронный аэрозоль с характерным размером в десятые и сотые доли микрона, то камеры располагаются в диапазоне 10-170° с интервалом 10°. Если представляют интерес крупные частицы размером в единицы или десятки микрон, то камеры сосредоточены в области малых углов: от 30' до 10°. Причем, чем крупнее исследуемые частицы, тем ближе к прямому пучку света должны располагаться камеры. При этом угол поля зрения таких камер должен быть 10-20 угловых минут. С целью исключения помех фотометрические камеры измеряют рассеянный свет на темном фоне благодаря наличию камеры фона 7. Для измерения коэффициента ослабления потоком одна из камер расположена под нулевым углом. Она измеряет прямой свет от источника излучения до включения потока и после. Чтобы не перегрузить фотоприемник большим сигналом в этой камере, в отличие от других, имеется ослабитель света 8.
Устройство на Фиг.2. представляет собой фотометрическую камеру, где 9 - фотоприемник; 10 и 11 - диафрагмы, задающие поле зрения. Поле зрения такой камеры определяется размерами диафрагм 10 и 11 и расстоянием L между ними. Поперечный размер d определяется размером фотоприемника 9.
Устройство на Фиг.3. представляет собой ореольный нефелометр. Это частный случай кольцевого нефелометра. Такой прибор предназначен для работы в области малых углов рассеяния (ореола). 12 - источник зондирующего излучения; 13 - камеру фона; 14 - поле зрения фотометрических камер (чтобы не загромождать, чертеж показано только четыре); 15 - газодинамический поток (направление перпендикулярно плоскости чертежа); 16 - фотометрические камеры (показаны не все); 17 - фотоприемники; 18 - ослабитель света; 19 - линза; 20 - усилители сигналов фото приемников.
Двухфазный поток направлен перпендикулярно плоскости чертежа. Он облучается светом от источника зондирующего излучения 12. Поскольку в качестве источника зондирующего излучения применяется лазер, коллиматор отсутствует. Свет, рассеянный на частицах потока попадает в поле зрения 14 фотометрических камер 16 и регистрируется фотоприемниками 17. Устройство исследует рассеивающие объемы, ограниченные зондирующим лучом света и телесными углами фотометрических камер. Таким образом, источник зондирующего излучения 12 оказывается оптически связан через рассеивающий объем с фотометрической частью, которая выполнена в виде набора одинаковых фотометрических камер без линз, расположенных по полукольцу и оптические оси которых расположены под фиксированными углами рассеяния в области ореола.
Установка была изготовлена для исследования капель воды в воздушном потоке при отрицательных температурах, с помощью которого происходит обледенение различных моделей. Направление потока перпендикулярно плоскости чертежа. Поток 15 облучается светом от источника 12, в качестве которого используется лазерный модуль мощностью 25 мВт с длиной волны излучения 532 нм. Свет, рассеянный на каплях, попадает в поле зрения 14 девяти фотометрических камер 16, расположенных по обе стороны луча таким образом, чтобы охватить диапазон углов 2-10° и регистрируется фотоприемниками 17. Фотометрические камеры измеряют рассеянный свет на темном фоне благодаря наличию камеры фона 13. Десятая фотометрическая камера предназначена для измерения прямого зондирующего излучения. Она снабжена набором ослабителей 7 типа НС-10 и НС-7, выполненных согласно ГОСТ 9411-91. Ослабленный свет собирается линзой 19 на фотоприемник. Сигнал с фотоприемников после усилителей 20 поступает на систему сбора данных. Наличие линзы в десятой камере не столь критично, как в фотометрах, предназначенных для измерения рассеянного света. Она находится в неподвижном фотометре в параллельном пучке и всегда расположена перпендикулярно оптической оси. Фотометрические камеры выполнены в виде трубок диаметром d=4 мм (Фиг.2) и имеют следующие параметры: диаметр диафрагмы 10 составляет 1.2 мм, диафрагмы 11 - 1.8 мм, расстояние b=70 мм. Угол поля зрения составляет порядка 15'.
Разумеется, фотометрические камеры такой конструкции уступают фотометрам с объективом в чувствительности к световому потоку. Однако этот недостаток компенсируется мощностью зондирующего источника света. Современные лазеры и лазерные диоды обладают достаточной мощностью, чтобы обеспечить приемлемую величину сигнала фотоприемника. При необходимости проведения спектральных исследований эта задача также решается за счет источника света: набор длин волн современных лазерных излучателей простирается от УФ до ближней ИК области света.
Что касается скорости измерения индикатрисы рассеяния, то при такой конструкции она определяется быстродействием цепочки: фотоприемник - усилитель - аналого-цифровой преобразователь - регистратор. Технические характеристики современных полупроводниковых приборов, АЦП и программ сбора данных свидетельствуют о том, что регистрация процесса длительностью в единицы миллисекунд не предел. Такие возможности описываемого устройства позволяют исследовать не только стационарные газодинамические потоки, но и струи в импульсных ударных трубах с гиперзвуковым течением.
Наличие в описываемом устройстве фотометрической камеры, расположенной под нулевым углом и измеряющей прямой световой поток, позволяет определять по известной методике показатель ослабления света газодинамическим потоком (ГОСТ 26148-84 Фотометрия. Термины и определения. Введен с 1.07.1985 г.). Эта оптическая характеристика несет информацию о плотности газодинамического потока и, при соответствующей градуировке, о концентрации частиц в нем. Чтобы избежать перегрузки оптико-электронного тракта большим сигналом фотоприемника, в фотометрической камере установлены ослабители. Их количество и тип подбираются таким образом, чтобы сигнал не выходил за пределы линейного участка тракта.
Поскольку описываемое устройство является многоканальным, необходимо проведение калибровки отдельных каналов с целью выравнивания их чувствительности. Для этого источник зондирующего излучения отключается, а в центр пересечения оптических осей фотометрических камер помещается источник света той же длины волны и равномерной интенсивностью во всех направлениях. После чего регулируются коэффициенты усиления отдельных каналов оптико-электронного тракта. Разумеется, чувствительность должна быть выровнена в том же динамическом диапазоне сигналов, что и при работе с исследуемой средой, и диапазон этот должен быть на линейном участке оптико-электронного тракта.
Другим важным фактором, влияющим на точность измерений, является температурная зависимость полупроводниковых приборов, входящих в состав оптико-электронного тракта, а также полупроводниковых источников света. Поэтому конструкция предусматривает термостатирование таких элементов.
Методика работы с описываемым устройством заключается в следующем. Перед включением газодинамического потока фотометрическая камера, расположенная под нулевым углом, измеряет интенсивность прямого светового потока 10, а остальные камеры записывают фон. Система регистрации записывает эти параметры в память. Затем включается газодинамический поток и все каналы регистрируют сигналы. После окончания пуска снова записываются фоновые сигналы. Далее система сбора и обработки данных рассчитывает оптические характеристики. Показатель ослабления рассчитывается по известной формуле Бугера-Ламберта:
0
где I - интенсивность прямого не ослабленного светового потока,
1
I- интенсивность света, ослабленного газодинамическим потоком,
l - длина пути, на котором происходит ослабление света, [м],
-1
k - показатель ослабления [м].
Таким образом,
Следует отметить, что существуют ограничения по применимости формулы (1), которые следует учитывать. См., например, (Гуревич М.М. Введение в фотометрию. Л. «Энергия», 1968 г.)
Показатель направленного рассеяния определяется по формуле (Торопова Т.П., Тен А.П., Бушуева Г.В. Токарев О.Д. Оптические свойства приземного слоя атмосферы.- В Сб. Ослабление света в земной атмосфере. Алма-Ата, 1976, с.33-113.):
где φ - угол рассеяния,
-1
-1
µ(φ) - показатель направленного рассеяния [м·стерад],
I(φ) - интенсивность света, измеренная фотометрической камерой, расположенной под углом φ,
К - коэффициент ослабления ослабителей в фотометрической камере, измеряющей прямой световой поток,
h - ширина светового зондирующего луча [м],
Sinφ - коэффициент, учитывающий разный рассеивающий объем для отдельных фотометрических камер.
Если получены показатели направленного рассеяния µ(φ) для углов в диапазоне 10-170°, можно определить показатель объемного рассеяния:
-1
σ - показатель объемного рассеяния [м] - величина, характеризующая ослабление света на единице пути только за счет рассеяния. Как известно, показатель ослабления в рассеивающей среде равен
где α - показатель поглощения как газовой, так и дисперсной фазой для длины волны зондирующего излучения. Поскольку показатели ослабления и рассеяния определены выше, показатель поглощения может быть получен как разность этих величин.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения оптических характеристик светорассеяния в двухфазных газодинамических потоках позволяет определить не только индикатрису рассеяния, но и вычислить такую характеристику дисперсной фазы двухфазного газодинамического потока, как распределение частиц по размерам, исследовать динамику этого параметра в зависимости от различных факторов., а также показатели ослабления и поглощения, причем как стационарного двухфазного потока, так и двухфазной струи в импульсных ударных трубах с гиперзвуковым течением.