Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЯВЛЕНИЯ РАССЕЯНИЯ СВЕТА
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА И ФОРМЫ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ 6
1.1 Индикатриса рассеяния 8
1.2 Методы определения размера частиц по индикатрисе рассеяния 10
1.3 Характеристики дисперсных сред 12
2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ 12
2.1 Ситовый анализ 13
2.2 Седиментационный анализ (центрифугирование) 13
2.3 Гранулометрический анализ с помощью электронной микроскопии 14
2.4 Кондуктометрический анализ 14
2.5 Динамический анализ рассеяния света 15
2.6 Световая и электронная микроскопия 16
2.7 Статистический анализ рассеяния света 17
3 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА 18
3.1 Анализ патентно-лицензионной ситуации 19
3.2 Анализ проведенного патентного поиска 20
3.3 Способы и приборы для измерения индикатрисы рассеяния 20
3.3.1 Устройство для измерения оптических характеристик светорассеяния двухфазных газодинамических потоков 20
3.3.2 Устройство для определения индикатрисы рассеяния 21
3.3.3 Способ определения индикатрисы рассеяния 22
4 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 25
4.1 Методика определения индикатрисы рассеяния аэрозольной частицы
«пролетным» способом 26
4.2 Оценка параметров фотоприемника при регистрации интенсивности
рассеянного аэрозольной частицей излучения пролетным способом 26
4.3 Общая схема экспериментальной установки 28
4.4 Энергетический расчет оптико-электронной части макета устройства 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 3 5
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ C
Аэрозольные частицы играют существенную роль в переносе через атмосферу приходящего от Солнца излучения и уходящего от Земли теплового излучения, оказывая влияние на радиационный режим системы атмосфера-земная поверхность и, таким образом, на формирование погоды и климата Земли.
Химическая природа, физические характеристики и концентрация в воздухе этих частиц в значительной степени определяют основные физико-химические свойства всей воздушной оболочки Земли. Важнейшими характеристиками аэрозольных частиц (помимо их химической природы, отвечающей за показатель преломления вещества частицы) являются величина (размер) и форма частиц, которые отличаются очень широким многообразием. В целом, атмосферный аэрозоль - твердые и жидкие частицы микронных и субмикронных размеров, взвешенных в воздухе, весьма разнообразного состава, формы и показателя преломления.
В последнее время задачи, связанные с разработкой методов контроля характеристик дисперсных сред, приобрели большую актуальность в связи с глобальной проблемой загрязнения окружающей среды и всё более интенсивным применением аэрозолей в науке, промышленности и сельском хозяйстве. Всё это требует создания эффективных методов дистанционного оперативного контроля промышленных предприятий расположенных вблизи населенных пунктов и выбрасывающих в атмосферу аэрозольные частицы.
В настоящее время значительное количество работ посвящено разработке методов контроля аэрозольных частиц сферической формы. Более того, существуют и приборы в коммерческом исполнении. Однако на практике, в большинстве случаев, приходится сталкиваться с аэрозольными частицами, форма которых далека от сферической. В связи с этим характеристики рассеяния излучения на этих частицах существенно отличаются от характеристик рассеяния на сферических частицах. Поэтому, создание установки для измерения индикатрисы обратного рассеяния несферических частиц, позволит накопить достаточное количество экспериментальных данных, которые будут использованы для разработки методов дистанционного контроля полей несферических аэрозольных частиц в атмосфере. Это обстоятельство подтверждает актуальность темы выпускной квалификационной работы.
Целью настоящей работы является повышение точности и оперативности определения индикатрисы рассеяния несферических аэрозольных частиц. Зная индикатрису рассеяния, можно определить морфологию частиц (форму и размер). Предлагаемое в работе решение позволит измерять угловое распределение интенсивности рассеянного назад излучения и определять индикатрису рассеяния аэрозольной частицы несферической формы. Объект исследования: методы и средства определения индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц.
В задачи работы входит: провести аналитический обзор оптических методов, способов и приборов по определению индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц; провести патентный поиск, направленный на выявление уже созданных устройств на базе метода «пролетной» индикатрисы рассеяния аэрозольных частиц; разработать схему лабораторного макета, включающего источник и приёмник рассеянного излучения; собрать лабораторный стенд, реализующий «пролётный» метод определения индикатрисы обратного рассеяния несферических частиц; провести эксперимент, подтверждающий возможности определения индикатрисы обратного рассеяния несферических аэрозольных частиц пролётным методом.
Положение, выносимое на защиту
Предложенная схема и устройство лабораторного макета, реализующего «пролётный» метод определения индикатрисы обратного рассеяния несферических частиц, позволяет оценить угловую зависимость интенсивности рассеянного света в направлениях близких к 180 градусам, частицами произвольной формы и размерами от 100 до 1000 мкм с погрешностью измерения не более 5% за время не более 3 с.
Проведенный аналитический обзор показал востребованность для науки и практики оптических методов определения морфологических признаков аэрозольных частиц. Патентный поиск показал среднюю изобретательскую активность в период с 2006 по 2014, на уровне 4-5 патентов в год, в США и странах европейского содружества.
Анализ зарегистрированных патентов выявил основные технические трудности регистрации рассеянного аэрозольными частицами светового излучения - это сложность регистрации рассеянного излучения на отдельных частицах и проблема разделения рассеянного и нерассеянного излучения в направлениях 0о и 180о.
Энергетический расчет предлагаемого в работе схемного решения показал возможность регистрация частиц диаметром в диапазоне от 100 до 1000 мкм, при использовании источника излучения мощностью до 100 мВт и фотоприёмника с токовой чувствительностью S = 0.04 А/Вт.
Для регистрации частиц с диаметром 10 мкм выбранные параметры установки не обеспечивают требуемого отношения сигнал/шум, что потребует дальнейшей работы по выбору фотодетекторов и режимов регистрации сигнала рассеяния излучения на аэрозольной частице.
Проведены эксперименты по регистрации рассеянного излучения «модельными» аэрозольными частицами (частицы «силикагеля») диаметром около 960 мкм, которые показали, что предложенная схема и устройство лабораторного макета, реализующего «пролётный» метод определения индикатрисы обратного рассеяния несферических частиц, позволяют оценить угловую зависимость интенсивности рассеянного света в направлениях близких к 180 градусам, для сферических частиц с размером около 1000 мкм. Время измерения не превышало 3 с. Погрешность оценки интенсивности рассеянного света составило менее 5%. В дальнейшем этот метод позволит экспериментально определять величину индикатрисы обратного рассеяния для частиц отличных от сферических - типа «столбики», «пластины», характерных для перистых облаков.
