Решение ищется в виде
| (10) |
,где k — кратность рассеяния.
Угловая зависимость отношения интенсивности многократно рассеянного излучения к полной интенсивности рассеяния приведена на рисунке 4. Видно, что влияние многократного рассеяния значительнее на «крыльях» индикатрисы.
| (11) |
.При больших значениях t необходимо введение соответствующих поправок.
1 — 0.1, 2 — 0.3, 3 — 0.5, 4 — 1.0.
Рисунок 4 – Зависимость доли многократно рассеянного излучения D от угла рассеяния q при разных оптических толщинах t
Для более точной картины рассеяния введем поправочный коэффициент в формулу (7), таким образом, полная индикатриса рассеяния на плоскости Д равна
| (12) |
Проведенное теоретическое описание малоуглового рассеяния излучения дисперсной средой позволяет предложить следующий метод измерения, который можно называть модифицированным методом малоуглового рассеяния.
Сущность метода заключается в нахождении спектра размеров аэрозольных частиц по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния, путем сравнения ее с серией расчетных индикатрис рассеяния, найденных по формулам (7) или (12). Каждая расчетная индикатриса рассеяния рассчитывается с собственной функцией распределения.
В качестве базовой функции распределения принято гамма-распределение
(13)
где a>0 – нормирующий множитель;
a, b – параметры распределения;
D – диаметр частицы.
Определение 
по измеренной индикатрисе рассеяния Ie(y) сводится к перебору параметров {a,b} распределения и вычислению функционала
| (14) |
где Ie(yi) (i=1,2,…,n) – измеренные значения индикатрисы рассеяния для дискретных значений на плоскости Д yi;
I(yi) – рассчитанные по (7) или (12) значения.
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований аэрозольных загрязнений различной природы на разработанном имитационном комплексе, что подтверждает его работоспособность.
Для проведения экспериментальных исследований дисперсных параметров аэрозольного загрязнения в воздухе требуется комплекс аппаратуры. В ходе работы был разработан аппаратурно-программный комплекс – лазерный измеритель дисперсности аэрозолей ЛИД-2.
Измерительный комплекс ЛИД-2 предназначен для исследования генезиса параметров дисперсности полей аэрозолей с момента зарождения и последующего процесса развития и основан на регистрации суммарной интенсивности рассеянного лазерного излучения на дисперсных частицах.
В состав комплекса входят следующие приборы и устройства (рисунок 5):
- измерительный объём размером 1 м3;
- излучатель: гелий-неоновый лазер HRP050 с длиной волны 0,632 мкм мощностью 5 мВт или HRP120 мощностью 12 мВт (тип лазера выбирается в зависимости от оптической плотности объекта исследования);
- регистрирующий блок, состоящий из 7 фотодиодов типа ФД-24К, смонтированных на одном основании;
- измерительный 8-канальный усилитель марки У-8 ;
- АЦП фирмы L-Card L783 и персональный компьютер;
- программное обеспечение для регистрации и обработки измерительной информации для определения счётной и массовой функции распределения частиц по размерам.
Частота записи измеренных данных – 100 кГц.
Время выдачи расчетной функции – 10¸120 секунд.
Лабораторная установка смонтирована на оптических столах. Моделирование загрязненной атмосферы осуществляется в измерительном объеме посредством заполнения объема аэрозольной средой различной природы.
1 - лазер; 2 - модулятор излучения; 3 – измерительный объем;
4 - фотодиодная линейка (7 фотодиодов); 5 - усилители постоянного тока;
6 - ЭВМ; 7- АЦП
Рисунок 5 - Структурная схема установки
Излучение лазера ориентировано под углом 90° к одной из граней измерительного объема, модулировалось с частотой 80 Гц и направлялось через рассеивающую среду. Поток оптического излучения, рассеянного под разными углами, регистрируется линейкой фотодиодов, которая расположена в плоскости, перпендикулярной лучу лазера. Линейка позволяет регистрировать рассеянное излучение под углами 0,3¸20° относительно луча лазера. Для длины волны 0,632 мкм использовались кремниевые фотодиоды ФД-24К с чувствительной площадкой порядка 50 мм2.
Для построения фотодиодной линейки использовались близкие по уровню выходного сигнала фотодиоды. Для учета отклонений уровня сигналов введены поправочные коэффициенты для каждого фотодиода.
Так как с увеличением угла рассеяния интенсивность излучения резко падает, коэффициенты усиления выбирались таким образом, чтобы каждый канал был одинаково информативен. Имитацией рассеивающей среды для настройки служила стеклянная матовая пластина.
Напряжение Ui(t) фотодиода снималось с сопротивления 10 кОм, подсоединенного параллельно фотодиоду, усиливалось с помощью многоканального усилителя У-8 со следующими коэффициентами усиления (таблица 1). Усиленный сигнал регистрировался на входе АЦП фирмы L-card L-783, установленной в персональном компьютере.
Таблица 1 - Коэффициенты усиления каналов
Канал | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Коэффициент усиления | 5000 | 2000 | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 500 |
Запись и обработка измерительной информации осуществлялась с помощью программного обеспечения для АЦП и специального разработанного программного обеспечения.
Для восстановления функции распределения из зарегистрированного сигнала на фотодиодную линейку было разработано программное обеспечение на основе физико-математической модели, представленной в главе 2. Алгоритм программы построен на прямом поиске путем решения серии прямых задач оптики светорассеяния, обычно несколько сотен решений.
В качестве функции распределения частиц по размерам выбрано гамма-распределение, заданное выражением (13).
Окончив поиск в заданном диапазоне параметров, программа выдает значения a и b гамма-распределения, при которых функционал (14) минимален.
Экспериментальная проверка работоспособности измерительного комплекса ЛИД-2 проводилась с использованием специально изготовленного пиротехнического распылителя (рисунок 6)
1 – нижняя опорная крышка; 2 – верхняя крышка; 3 – направляющее кольцо;
4 – болт; 5 – пиротехническое вещество; 6 – распыливаемое вещество;
7 – инициатор пиротехнического состава
Рисунок 6 – Модельный пиротехнический распылитель
Измерения проводились в измерительной камере объемом 1 м3.
Для создания аэрозоля в распылительное устройство импульсного типа (рисунок 6) помещался пиротехнический состав массой 0,2 г, закрывался полиэтиленовой пленкой и сверху засыпалось в углубление распылителя 1 г мелкодисперсного порошка.
Данным методом имитировался импульсный выброс загрязнителя в атмосферу. Схема эксперимента приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема эксперимента по измерению параметров
аэрозольного загрязнения
Распылитель устанавливался в центр измерительного объема. Луч лазера проходил на расстоянии 30 см от верхней крышки распылителя. Для сравнения результатов, полученных с помощью ЛИД-2, применялся оптический анализатор размеров частиц PIP 9.0, описанный в приложении А. Для этого в измерительный объем помещались предметные стекла для анализа осажденных частиц.
Для имитации загрязнения были взяты стандартизированные порошки алюминия и других материалов, для которых были проведены измерения ситовым методом и на микроскопе PIP 9.0.
После установки распылителя измерительный объем закрывается со всех сторон для устранения засветки фотодиодов фоновым излучением, излучение лазера проходит через окна, расположенные на двух параллельных сторонах измерительного объема.
Рисунок 8 – Регистрируемый сигнал на фотодиодной линейке
После инициации распылителя аэрозоль заполняет измерительный объем, и рассеянное излучение регистрируется на фотоприемном блоке. На рисунке 8 изображен зарегистрированный сигнал на ЭВМ. Из рисунка видно, что измерительный объем за десятые доли секунды заполняется аэрозолем, а модулированный сигнал помогает исключить влияние фонового излучения. Интенсивность рассеянного излучения на разных фотодиодах для выбранного момента является входными данными для программы обработки.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
