ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИСТАНЦИОННОЙ ЭКСПРЕСС- ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНЫХ СРЕД

Введение 5
Глава 1. Обзор методов измерения и контроля размеров мелкодисперсных частиц 13
1.1 Методы микроскопирования 13
1.2 Ситовый анализ 16
1.3 Седиментометрические методы анализа 18
1.4 Кондуктометрический метод 20
1.5 Бесконтактные методы определения дисперсности частиц 22
1.5.1 Метод спектральной прозрачности 23
1.5.2 Турбидиметрический высокоселективный метод 24
1.5.3 Метод малых углов 26
1.5.4 Метод полной индикатрисы 28
1.5.5 Модифицированный метод малоуглового рассеяния 30
1.5.6 Лидарный метод 33
1.5.7 Метод динамического рассеяния света 34
1.5.8 Особенности измерений ослабления лазерного излучения в оптически
плотных субмикронных дисперсных средах 35
Выводы по первой главе 41
Глава 2. Теоретические основы разработки метода спектральной прозрачности на дискретных длинах волн 43
2.1 Решение обратных задач оптики аэрозолей 46
2.1.1 Выбор параметра регуляризации при решении обратной задачи 49
2.2 Описание совокупности частиц с использованием аналитических
функций 51
2.3 Разработка метода восстановления функции распределения частиц по
размерам 54
2.3.1 Модификация методики измерения среднего объемно-поверхностного
диаметра частиц 59
2.3.2 Изменение информативного диапазона определения среднего объемно-
поверхностного диаметра частиц 63
2.4 Оценка необходимого числа длин излучения волн для зондирования
двухфазных сред 64
2.5 Оценка работоспособности разработанного алгоритма решения обратной
задачи оптики аэрозолей 68
Выводы по второй главе 71
Глава 3. Экспериментальная установка измерения параметров дисперсности двухфазных сред 72
3.1 Анализ формирования многоволнового пучка зондирующего лазерного
излучения 73
3.1.1 Схема формирования многоволнового пучка лазерного излучения с
использованием призмы 74
3.1.2 Схема формирования многоволнового пучка лазерного излучения
с использованием отражательной дифракционной решетки 75
3.1.3 Схема формирования многоволнового пучка с использованием
оптоволокна 76
3.1.4 Схема формирования многоволнового пучка лазерного излучения
с использованием револьверты и телескопической системы 78
3.1.5 Схема формирования многоволнового пучка с использованием
полупрозрачных зеркал и дихроических зеркал 79
3.2 Определение линейного режима работы фотоприемников 81
3.3 Проверка условий применимости закона Бугера-Ламберта-Бера прямого
оптического излучения 87
3.4 Разработка экспериментальной установки для восстановления функции
распределения частиц по размерам 91
Выводы по третьей главе 95
Глава 4. Исследование дисперсных характеристик двухфазных сред 96
4.1 Экспериментальное исследование динамики среднего объемно
поверхностного диаметра частиц 97
4.2 Экспериментальное определение функции распределения частиц
по размерам двухфазной среды 103
Выводы по четвертой главе 115
Заключение 116
Список сокращений и условных обозначений 118
Список литературы 119
Приложение А (справочное) Свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ № 2017610241(копия) 132
Приложение Б (справочное) Акт использования результатов работы в БТИ
АлтГТУ 133
Приложение В (справочное) Акт использования результатов работы в
ИПХЭТ СО РАН 134
Приложение Г (справочное) Акт использования результатов работы в НИИ
ПММ ТГУ 135
Купить

Актуальность работы. Субмикронные аэрозольные системы широко распространены и часто встречаются в природе. Они нашли применение во многих отраслях промышленности, современной технике. Контроль дисперсных характеристик аэрозольных сред (концентрации и размеров частиц) остается одной из актуальных научных и технических задач [1-8]. Дисперсный состав частиц в аэрозольных средах является важнейшей характеристикой, которая зачастую определяет эффективность технологических процессов, а также состояние окружающей среды.
Существует большое количество методов измерения размеров частиц двухфазных дисперсных сред. Эти методы основаны на различных физических эффектах. При этом актуальна задача разработки бесконтактных методов, как не вносящих возмущений в контролируемую среду [3-4, 7-9].
Большинство промышленных установок по контролю гранулометрического состава частиц относится к анализаторам с предварительным отбором проб. При таком контроле важно обеспечить представительность проб, то есть соответствие отобранного образца реальному контролируемому объекту, что достаточно трудно, а иногда невозможно осуществить, особенно для быстропротекающих процессов. Для жидкокапельных аэрозолей метод отбора не применим, что является одним из недостатков пробоотборных методов. На практике часто требуется оперативное получение информации о состоянии окружающей среды, среды в жилых и производственных помещениях и при контроле дисперсности двухфазной среды в условиях распыления, осаждения, коагуляции, испарения частиц.
Исходя из вышесказанного следует, что создание средства контроля и диагностики, удовлетворяющего следующим требованиям: возможность контроля in situ (то есть, на месте, размещение оборудования в полевых условиях); универсальность (контроль сред как с жидкой, так и с газообразной дисперсионной средой); экспресность получения результатов; высокое временное разрешение; большая длина оптического пути (до нескольких метров); возможность работы с оптически плотными средами; дистанционность измерений; портативность аппаратуры - является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Для контроля дисперсности в реальных двухфазных потоках, аэрозольных образованиях существует ограниченный парк приборов, например, измерительный комплекс Spraytec (компании «Malvern Instruments», Great Britain), измерительная установка «ТИПАС-1»
(турбидиметрический измеритель параметров аэрозольных сред, разработанный в ИПХЭТ СО РАН). Но применение этих приборов ограничено для некоторых типов задач, таких как измерение размеров частиц в дисперсных средах, имеющих большую спектральную оптическую плотность или протяженные пространственные зоны контроля. Эти ограничения связаны с особенностями методов измерения и их реализацией. Однако использование источников узкоколимированного, монохроматичного излучения на различных длинах волн (лазеров) при реализации турбидиметрического принципа измерений позволит создать метод и измерительную установку, позволяющую проводить экспресс измерения дисперсности двухфазных дисперсных сред с высоким временным разрешением в широком диапазоне спектральной оптической плотности.
Работа направлена на развитие и модификацию турбидиметрического метода (метода спектральной прозрачности) измерения дисперсности двухфазных сред путем перехода от использования источника излучения с непрерывным спектром к источнику излучения с набором дискретных длин волн зондирующего лазерного излучения с рабочим названием «Метод спектральной прозрачности с дискретными длинами волн» (СПДВ). Приемником оптического излучения вместо спектрометра в этом случае является набор фотодиодов с системой селекции длин волн. К преимуществам разрабатываемого метода относятся:
- возможность диагностики дисперсных сред с большой (до нескольких метров) длиной оптического пути за счет использования коллимированного монохроматичного излучения;
- возможность контроля оптически плотных сред с обеспечением применимости закона Бугера-Ламберта-Бера;
- повышение точности измерения ослабления излучения за счет увеличения отношения сигнал/шум при использовании фотодиодов в качестве приемников излучения;
- компактность, мобильность, портативность экспериментальной установки, возможность использования в лабораторных, производственных и полевых условиях.
Объектом исследования являются двухфазные дисперсные среды.
Предметом исследования являются оптические методы контроля дисперсных характеристик двухфазных сред.
Целью работы является разработка метода контроля и экспериментальной установки для измерения дисперсных характеристик нано- и субмикронных частиц двухфазных сред с большой спектральной оптической плотностью и программноаппаратного комплекса с автоматизированной системой обработки экспериментальных данных.
Задачи исследования
1. Разработать математическую модель метода для измерения функции распределения частиц по размерам с использованием априорной информации об экспериментально измеренном значении среднего объемно-поверхностного диаметра частиц при контроле дисперсности исследуемой среды.
2. Разработать экспериментальную многочастотную лазерную установку для измерения функции распределения частиц по размерам, концентрации и среднего объемно-поверхностного размера частиц двухфазных сред с большой спектральной оптической плотностью.
3. Разработать программно-аппаратный измерительный комплекс, реализующий метод измерения динамики дисперсности частиц при экспресс - диагностике дисперсных характеристик двухфазных сред.
4. Провести верификацию разработанного метода СПДВ при измерении дисперсности частиц с использованием разработанной экспериментальной установки и современных измерительных установок: измерительного комплекса «Spraytec» («Malvern Instruments», GBR), измерительной установки «ТИПАС-1» (ИПХЭТ СО РАН).
Научная новизна работы
Разработана новая методика измерения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц двухфазных сред, с методической погрешностью, не превышающей заданного значения, что повышает корректность поиска решения за счет учета процессов взаимодействия зондирующего излучения со средами с различной степенью дисперсности.
Разработана методика измерения функции распределения нано- и субмикронных частиц по размерам двухфазных сред, основанная на решении обратной задачи оптики аэрозолей методом регуляризации в ансамбле гладких функций с привлечением априорной информации в виде измеренного значения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц, что упрощает процесс вычисления параметров функции распределения частиц по размерам.
Теоретически и экспериментально показана возможность дистанционного измерения динамики дисперсного состава двухфазных сред большой спектральной оптической плотности в непрерывном режиме. Разработан программно - аппаратный комплекс контроля дисперсных характеристик двухфазных сред.
При решении обратной задачи оптики аэрозолей с применением турбидиметрического метода показана возможность восстановления функции распределения частиц по размерам с использованием оптимального количества дискретных длин волн зондирующего излучения.
Практическая значимость состоит в разработке и непосредственной реализации метода СПДВ на базе созданной экспериментальной установки, позволяющей в автоматическом режиме в реальном масштабе времени измерять дисперсный состав и концентрацию частиц при контроле дисперсных характеристик двухфазных сред.
Работы проводились в рамках проекта фундаментальных исследований СО РАН по приоритетному направлению V.49 «Фундаментальные исследования в области химии и материаловедения в интересах обороны и безопасности страны»; грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 15-3250547 «Развитие метода турбидиметрической диагностики субмикронных аэрозольных сред большой оптической плотности» и № 16-32-50111 мол_нр «Развитие оптического метода определения характеристик дисперсности аэрозольных сред».
Методология работы и методы исследований. В процессе выполнения работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на достижение поставленной цели. Применялось физико-математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с дисперсной средой. Результаты, полученные при проведении экспериментальных работ с использованием экспериментальной установки, сравнивались с данными полученных с использованием других современных измерительных комплексов и установок.
Положения, выносимые на защиту
1. Методика определения функции распределения нано- и субмикронных частиц по размерам двухфазных сред, основанная на решении обратной задачи оптики аэрозолей по экспериментальным данным об ослаблении оптического излучения на дискретных длинах волн.
2. Программное обеспечение, реализующее разработанный метод определения динамики дисперсных характеристик двухфазных сред, программно - аппаратный комплекс, выполняющий сбор и обработку измерительной информации в автоматическом режиме.
3. Экспериментальная лазерная портативная установка для дистанционного определения динамики среднего размера, концентрации и функции распределения частиц по размерам при контроле дисперсных характеристик двухфазной среды.
4. Верификация разработанного метода определения дисперсности частиц с использованием разработанной экспериментальной установки и современных измерительных установок: измерительной установки «ТИПАС-1», комплекса «Spayteo>.
Достоверность полученных результатов основывается на:
- физической обоснованности и корректности постановки решаемых задач;
- использовании математически строгих преобразований в разработанной физико-математической модели;
- использовании современной измерительной техники высокой точности и выполнении калибровки измерительных приборов;
- верификации экспериментальных данных, полученных при измерении с использованием разработанного метода с данными, полученными с использованием других методов и измерительных установок.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научно-технических семинарах Лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов ИПХЭТ СО РАН, а также обсуждались на конференциях различного уровня: III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, 2013 г.);
Всероссийской конференции «Информационные технологии в науке, экономике и образовании» (г. Бийск, 2013 г.); на XX, XXI и XXII Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2013 г., 2014 г., 2015 г.); XI, XII Всероссийской конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2014 г., 2017 г.); Международной конференции
ATMOSPHERIC DUST (Italy, Castellaneta Marina, 2014 г.); на V, VI Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск,
2014 г., 2016 г.); XXIV Всероссийском семинаре с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (г. Новосибирск, 2015 г.); на XII, XIV Международной конференции HEMs-2016, (Россия, г. Томск, 2016 г.); VI Международном симпозиуме «Энергетические материалы и их применение ISEM2017», (Япония, г. Сендай, 2017 г.); VIII Международном управленческом форуме «Алтай. Точки Роста» (г. Белокуриха, 2016 г.); XV Конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (г. Иркутск, 2017 г.); конкурсе инновационных и исследовательских проектов среди студентов, аспирантов и молодых специалистов наукограда Бийск «Молодые ученые Наукограда» «Разработка методики определения среднего объемноповерхностного диаметра частиц субмикронных дисперсных сред» (г. Бийск,
2015 г.).
Личный вклад автора. Автором лично получены основные результаты, которые заключаются в формировании основных научных идей, создании математических моделей расчета, планировании и проведении экспериментальных исследований, обработке полученных данных, написании статей на основе интерпретации накопленных результатов, а также их реализация в технологических процессах.
Публикации. Материалы по теме диссертации изложены в 20 научных работах, в том числе в 6 статьях журналов, входящих в перечень ВАК. Получено 1 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 108 наименований и 4 приложений. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 49 рисунков.
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность своему научному руководителю, д.ф.-м.н. Павленко Анатолию Александровичу, консультанту к.т.н. Титову Сергею Сергеевичу за помощь в разработке новых алгоритмов, рекомендованную литературу и ценные замечания при обсуждении результатов экспериментов, а также коллективу Лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов ИПХЭТ СО РАН за помощь в проведении экспериментов. Автор благодарит профессора Томского государственного университета, д.ф.-м.н. Архипова Владимира Афанасьевича за консультации по экспериментальным и теоретическим расчётам.

Купить