способ определения максимального размера и концентрации субмикронных аэрозольных частиц
Классы МПК: | G01N15/02 определение размеров частиц или распределения их по размерам |
Автор(ы): | Змановский Сергей Владиславович (RU), Архипов Владимир Афанасьевич (RU), Жуков Александр Степанович (RU), Бондарчук Сергей Сергеевич (RU), Дюбенко Елена Леонидовна (RU), Евсевлеев Максим Яковлевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "СУАЛ-ПМ" (ООО "СУАЛ-ПМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-11-12 публикация патента:
27.06.2014 |
Изобретение относится к области измерения характеристик аэрозольных частиц оптическими методами. Способ заключается в измерении ослабления оптического излучения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Максимальный размер и концентрацию аэрозольных частиц определяют по формулам
,
, где Dmax - максимальный диаметр частиц, мкм; Cm - массовая концентрация частиц, кг/м3 ;
- плотность материала частиц, кг/м3; l - оптическая длина пути, м;
,
- координаты точки выхода на асимптоту функции
, мкм;
(
) - измеренная спектральная оптическая плотность;
*(
) - зависимость от длины волны значения параметра дифракции
=
D/
, соответствующего абсциссе точки начала отклонения функции Q(
) от функции Qp(
); Q(
) - фактор эффективности ослабления, рассчитанный по точным формулам теории Ми для заданных зависимостей показателя преломления n(
) и показателя поглощения æ(
) материала аэрозольных частиц;
- фактор эффективности ослабления для релеевского рассеяния. Техническим результатом является повышение точности определения характеристик субмикронных частиц. 4 ил.




Формула изобретения
Способ определения максимального размера и концентрации субмикронных аэрозольных частиц, основанный на измерении ослабления параллельного пучка зондирующего оптического излучения, отличающийся тем, что спектральный коэффициент пропускания измеряют в диапазоне длин волн =
min÷
max, строят график функции
,
из которого определяют координаты
,
точки выхода этой функции на асимптоту
, максимальный диаметр Dmax и массовую концентрацию Cm аэрозольных частиц определяют по формулам
,
,
где - длина волны зондирующего излучения, мкм;
(
)=lnT-1 (
) - спектральная оптическая плотность;
T( )=J(
)/J0(
) - измеренная зависимость спектрального коэффициента пропускания от длины волны зондирующего излучения;
J( ), J0(
) - интенсивность прошедшего через аэрозольную систему и поступающего на нее зондирующего излучения, Вт;
D max - максимальный диаметр аэрозольных частиц, мкм;
Cm - массовая концентрация аэрозольных частиц, кг/м3; - плотность материала аэрозольных частиц, кг/м3 ;
l - оптическая длина пути, м;
,
- координаты точки выхода на асимптоту функции
, мкм;
(
) - зависимость от длины волны значения параметра дифракции
=
D/
, соответствующего абсциссе точки начала отклонения функции
Q( ) от функции Qp(
);
D - диаметр аэрозольных частиц;
Q( ) - фактор эффективности ослабления, рассчитанный по точным формулам теории Ми для заданных зависимостей показателя преломления n(
) и показателя поглощения æ(
) материала аэрозольных частиц;
Qp( )=
·F(
) - фактор эффективности ослабления для релеевского рассеяния,
функцию F( ) рассчитывают по формуле
,
а границы диапазона длин волн зондирующего излучения min,
max выбирают в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с учетом известных зависимостей n(
) и æ(
) в этом диапазоне.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к способам измерения характеристик аэрозольных частиц оптическими методами, и предназначено для определения максимального размера и концентрации субмикронных частиц в различных аэрозольных образованиях. Изобретение может найти применение в химической технологии, коллоидной химии, при разработке систем распыливания жидкости в различных отраслях техники, для контроля загрязнения окружающей среды.
Известны способы определения размеров и концентрации аэрозольных частиц, основанные на измерении ослабления параллельного пучка оптического зондирующего излучения [1-3]. При этом спектральный коэффициент пропускания зондирующего излучения измеряют для ограниченного набора длин волн, привлекают априорную информацию о спектре размеров аэрозольных частиц и проводят измерения дополнительных параметров (в частности, массовых расходов частиц и газа [1]). В качестве теоретической основы известных методов используют уравнение спектральной прозрачности (закон Бугера) для полидисперсных аэрозольных систем [4, 5] и теорию Ми для расчета факторов эффективности ослабления одиночных частиц [6].
Наиболее близким по технической сущности является способ определения дисперсности и концентрации частиц в аэрозольном облаке [7], основанный на измерении ослабления параллельного пучка зондирующего оптического излучения в диапазоне длин волн =(0.3÷1.1) мкм.
Недостатком данного способа является необходимость проведения дополнительных измерений оптической длины пути и объема аэрозольного облака с использованием двухракурсной видеосъемки. Проведение этих измерений вносит дополнительную погрешность и усложняет схему экспериментальной установки. При диагностике аэрозольных частиц субмикронных размеров применимость метода спектральной прозрачности связана с необходимостью измерения спектральных коэффициентов пропускания в ультрафиолетовой области спектра ( <0.1 мкм) с высокой точностью для обеспечения возможности решения соответствующей обратной задачи оптики аэрозолей [5].
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик субмикронных аэрозольных частиц без привлечения дополнительных измерений других параметров.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ определения максимального размера и концентрации субмикронных аэрозольных частиц, основанный на измерении ослабления параллельного пучка зондирующего оптического излучения. Спектральный коэффициент пропускания измеряют в диапазоне длин волн =
min÷
max и строят график функции
.
Из этого графика определяют координаты
,
точки выхода функции т(Х) на асимптоту
, максимальный диаметр Dmax и массовую концентрацию Cm аэрозольных частиц определяют по формулам
,
,
где - длина волны зондирующего излучения, мкм;
(
)=lnT-1 (
) - спектральная оптическая плотность;
T( )=J(
)/J0(
) - измеренная зависимость спектрального коэффициента пропускания от длины волны зондирующего излучения;
J( ), J0(
) - интенсивность прошедшего через аэрозольную систему и поступающего на нее зондирующего излучения, Вт;
Dmax - максимальный диаметр аэрозольных частиц, мкм;
Cm - массовая концентрация аэрозольных частиц, кг/м3;
- плотность материала аэрозольных частиц, кг/м3 ;
l - оптическая длина пути, м;
,
- координаты точки выхода на асимптоту функции
, мкм;
(
) - зависимость от длины волны значения параметра дифракции
=
D/
, соответствующего абсциссе точки начала отклонения функции
Q( ) от функции Qp(
);
D - диаметр аэрозольных частиц;
Q( ) - фактор эффективности ослабления, рассчитанный по точным формулам теории Ми для заданных зависимостей показателя преломления n(
) и показателя поглощения æ(
) материала аэрозольных частиц;
Qp ( )=
·F(
) - фактор эффективности ослабления для релеевского рассеяния,
функцию F( ) рассчитывают по формуле
а границы диапазона длин волн зондирующего излучения min,
max выбирают в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с учетом известных зависимостей n(
) и æ(
) в этом диапазоне.
Полученный положительный эффект изобретения связан с тем, что одновременно определяются массовая концентрация частиц и их максимальный диаметр в исследуемой аэрозольной среде без проведения дополнительных исследований других параметров.
Рассмотрим обоснование заявляемого способа.
Определение массовой концентрации частиц
При прохождении монохроматического излучения с длиной волны через слой толщиной l, состоящий из равномерно распределенных монодисперсных частиц диаметром D с массовой концентрацией C m происходит его ослабление за счет рассеяния и поглощения частицами. Количественной характеристикой ослабления является спектральный коэффициент пропускания
,
где J( ) - поток излучения, прошедший сквозь слой; J0 (
) - поток излучения, поступающий на слой.
Величина Т( ) определяется законом Бугера [5]
,
где (
) - спектральная оптическая плотность слоя.
Выражение для спектральной оптической плотности записывается в виде [5]
где - плотность материала частиц;
Q( , m) - безразмерный фактор эффективности ослабления, который зависит от параметра дифракции (параметра Ми)
=
D/
и комплексного показателя преломления материала частицы m=n-iæ (n - показатель преломления; æ - показатель поглощения;
).
Значения n и æ в общем случае зависят от длины волны излучения . Зависимость Q(a, m) от параметра дифракции носит сложный колебательный характер и рассчитывается по точным формулам теории Ми [6].
Для случая «малых» частиц при выполнении условия релеевского рассеяния ( <1) [6] фактор эффективности ослабления определяется аналитической формулой [5]:
Подставляя (2) в выражение для оптической плотности (1), получим:
Из (3) следует, что в случае релеевского рассеяния величина оптической плотности (
) не зависит от размера частиц D. Следовательно, по измеренным значениям
(
) из (3) можно определить массовую концентрацию частиц:
Данный способ определения Cm по формуле (4) с использованием измеренного значения (
) является корректным только в ограниченном диапазоне длин волн зондирующего излучения
* (
* - длина волны, ограничивающая область релеевского рассеяния). Для определения
* измеряют спектральную оптическую плотность в некотором диапазоне длин волн
min
max и строят график зависимости
,
где (
) - измеренная зависимость спектральной оптической плотности от длины волны излучения.
График функции (
) имеет два участка (фиг.1):
1. монотонно убывает при
<
*.
2. при
*.
Для диапазона длин волн >
* массовая концентрация частиц определяется по формуле (4).
Покажем, что данный способ определения массовой концентрации частиц применим и для полидисперсных частиц, если для всех частиц выполняется условие релеевского рассеяния. В случае полидисперсных частиц выражение для спектральной оптической плотности имеет вид [5]:
где f(D) - функция счетного распределения частиц по размерам.
Подставляя в (6) выражение (2) для Qp( , m) в случае релеевского рассеяния, получим формулу, полностью совпадающую с формулой (4) для определения массовой концентрации частиц.
Определение максимального размера частиц
Как было отмечено выше, фактор эффективности ослабления зависит от двух параметров - параметра дифракции а и æ комплексного показателя преломления материала частиц m=n-iæ. Значения n и зависят в общем случае от длины волны излучения , причем для разных материалов эти зависимости носят разный характер.
В случае релеевского рассеяния зависимость фактора эффективности ослабления от параметра дифракции линейна в соответствии с уравнением (2). Зависимость фактора эффективности ослабления от параметра дифракции, рассчитанного по точным формулам теории Ми, совпадает с релеевской до некоторого граничного значения *, а при
>
* отклоняется от нее: Q(
, m)>Qp(
, m). При этом значение
* зависит от длины волны излучения (фиг.2), что связано с дисперсией m (зависимость n и æ от
).
Таким образом, для известных зависимостей n( ) и æ(
) в диапазоне
min
mаx можно построить графики Q(
, m) и Qp(
, m), проводя расчеты факторов эффективности ослабления по точным формулам теории Ми и по уравнению (2) для релеевского рассеяния. Из этих графиков (фиг.2) определяется зависимость от длины волны значения параметра дифракции, соответствующего абсциссе точки начала отклонения функции Q(
, m) от Qp(
, m):
.
Подставляя в эту зависимость значение *, определенное выше как абсцисса точки выхода на асимптоту
, получим формулу для определения максимального диаметра аэрозольных частиц:
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками:
Фиг.1 - график функции для определения координат
*,
точки выхода этой зависимости на асимптоту
.
Фиг.2 - зависимость факторов эффективности ослабления от параметра дифракции для частиц сажистого углерода.
Фиг.3 - схема лабораторной установки для измерения характеристик аэрозольных частиц.
Фиг.4 - зависимость от длины волны значения параметра дифракции, соответствующего абсциссе точки начала отклонения функции Q( ) от Qp(
) для частиц сажистого углерода.
Пример реализации способа
На фиг.3 приведена схема лабораторной установки для измерения характеристик частиц сажистого углерода в пламени газовой горелки. Поток продуктов сгорания 2 газовой горелки через цилиндрическую трубку 1 заданного диаметра l поступал в зону измерений. Параллельный пучок зондирующего излучения 5 с начальной интенсивностью J0( ) от источника сплошного спектра 3, в качестве которого использовалась лампа СИ-10-300 с ленточным вольфрамовым излучателем, создавался оптической фокусирующей системой 4. Прошедший через аэрозольную систему ослабленный поток излучения J(
) поступал на вход спектрально-аналитического комплекса 6, 7.
Обработка экспериментальных данных по зависимости спектрального коэффициента пропускания от длины волны зондирующего излучения Т( ) проводилась с помощью персонального компьютера 8.
Предварительно проводился расчет факторов эффективности ослабления Q(a,m) по точным формулам теории Ми и по формуле (2) для релеевского рассеяния. Примеры расчетных графиков приведены на фиг.2. При проведении расчетов использовались зависимости n( ) и æ(
) для частиц сажистого углерода, приведены в [8] для диапазона
=(1÷6) мкм:
n( )=1.6+0.3
,
æ( )=
0.6,
где [ ]=мкм.
Обработка графиков Q( , m) и Qp(
, n) для диапазона длин волн
=(1÷6) мкм позволили получить зависимость
*(
) для частиц сажистого углерода, приведенную на фиг.4. Эта зависимость аппроксимировалась формулой (погрешность аппроксимации не более 3%):
где [ ]=мкм.
Результаты измерений показали, что значение длины волны, соответствующее выходу на асимптоту функции , составляло
*=2 мкм. Соответствующее значение
*, определенное по уравнению (8), составило
*=0.16 мкм. Максимальный диаметр частиц сажистого углерода
,
что хорошо согласуется с известными литературными данными [8]. Значение массовой концентрации частиц сажистого углерода ( =1.75 г/см3) изменялось в широких пределах C m=(2÷15) мг/см3 в зависимости от коэффициента избытка окислителя газовой смеси, поступающей в горелку.
По результатам примера видно, что заявленный способ позволяет одновременно определять массовую концентрацию и максимальный диаметр аэрозольных частиц с высокой точностью без проведения дополнительных измерений других параметров. Высокая точность определения Cm и Dmax связана со строгой обоснованностью границ применимости релеевского рассеяния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ 717628, МПК G01N 15/02. Способ измерения среднего радиуса металлических капель в двухфазных потоках / Е.В.Соловьев. - № 2343588/18-25; заявл. 01.04.1976; опубл. 25.02.1980, Бюл. № 7.
2. Пат. РФ 1420474, МПК G01N 15/02. Способ определения параметров частиц аэрозоля в газовом потоке / Г.И.Левашенко, В.И.Анцулевич, С.Л.Шуралев, С.В.Симоньков. - № 4037554/24-25; заявл. 17.03.1986; опубл. 30.08.1988, Бюл. № 32.
3. Пат. РФ 2335760, МПК G01N 15/02. Оптический способ определения размеров частиц дисперсной фазы / О.Л.Власова, О.А.Писарев, А.Г.Безрукова, П.В.Плотникова. - № 2006121402/28; заявл. 13.06.2006; опубл. 10.10.2008, Бюл. № 28.
4. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М.: Мир, 1971. - 165 с.
5. Архипов В.А. Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987. - 140 с.
6. Хюлст Ван де Г. Рассеяние света малыми частицами. - М.: ИЛ, 1961. - 536 с.
7. Пат. РФ 2441218, МПК G01N 15/02. Способ определения дисперсности и концентрации частиц в аэрозольном облаке / В.А.Архипов, А.А. Павленко, С.С.Титов, О.Б.Кудряшова, С.С.Бондарчук. - № 2010143653/28; заявл. 25.10.2010; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3.
8. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.
Класс G01N15/02 определение размеров частиц или распределения их по размерам