Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц

• Автор: Коломиец, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Обнинск
• Количество страниц: 262 с. : ил.

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Научно - производственное объединение "Тайфун"
ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ
На правах рукописи
КОЛОМИЕЦ Сергей Михайлович
ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ
01.04.21 - лазерная физика
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Обнинск - 1997 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ (ИХ ФОРМЫ)
1.1. Частица с формой трехосного эллипсоида и ее проекции
на плоскости координат
1.2. Телевизионный метод определения размеров частиц
1.3. Форма сигнала при пролете малой частицы через
лазерный пучок
1.4. Фотоэлектрический метод определения размеров частиц
2. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
2.1. Аппаратная функция фотоэлектрического счетчика (ФЭС)
2.2. Статистика отсчетов в ФЭС
2.3. Определение концентрации полидисперсного аэрозоля
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
3.1. Освещение частиц сканируемыми лазерными пучками
3.2. Освещение частиц неподвижными лазерными пучками
3.3. Амплитудно - временной анализ импульсов
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
4.1. Движение частиц в поле силы тяжести
4.2. Движение частиц в поле гармонической внешней силы
4.3. Особенности акустооптической гетеродинной интерферометрии
5. ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ ФЭС
5.1. Дефлектор
5.2. Приемная система
5.3. Схема контроля стабильности чувствительности
5.4. Аэрозольный тракт применительно к водному аэрозолю
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ НЕКОТОРЫХ ФЭС И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИХ ИСПЫТАНИЙ
6.1. Лазерный ФЭС " Дельта "
6.2. Лазерный ФЭС " Дельта - 3 "
6.3. ФЭС " Микрон ”
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ: Акты об использовании результатов диссертационной
работы

ВВЕДЕНИЕ
АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие аэрозольных технологий, возрастание технологических и экологических требований к допустимому содержанию механических примесей в жидкостях и газах обусловили повышение интереса к анализу дисперсности взвешенных частиц -определению их размеров и концентраций. Информация о дисперсности частиц необходима в самых разных областях науки и техники - в электронной, оптической, химической промышленности, порошковой
металлургии, физике атмосферы и т.д. [93, 115, 119, 153]. Весьма широк спектр проблем, связанных с анализом параметров аэродисперсных систем, и в физике атмосферы [12, 13, 36, 116].
Аналогичные проблемы, связанные с контролем биологических
взвешенных частиц - форменных элементов крови, бацилл и т.д. -важны и для медицины, биологии [122], где помимо определения размеров и концентрации частиц, весьма важной является и классификация частиц по их форме, позволяющая качественно оценивать природу частиц.
Эти и другие практические задачи стимулируют интерес к развитию методов определения концентрации, размеров и формы взвешенных частиц.
Размер частицы - понятие, требующее уточнения. Геометрические размеры характеризуют форму частиц, причем чем сложнее форма, тем больше размеров необходимо для ее описания. В связи с этим часто используют игнорирующие форму так называемые эквивалентные
размеры - оптический (характеризующий рассеяние света частицами и зависящий от комплексного показателя преломления их материала) и аэродинамический (характеризующий движение частиц относительно среды и зависящий от плотности их материала) Очевидно, наиболее полное описание частиц дает совокупность всех указанных размеров.
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Для различных практических задач концентрация исследуемых частиц (в диапазоне размеров 10"1...101 мкм) может меняться в весьма широких пределах. Так, если для "чистых" технологических помещений характерна концентрация частиц 10"3...10"2 см"3 [153], то для облаков и туманов она составляет 102...103 см"3, а для
дымов - до 105...106 см"3 [12, 13, 36, 116].

Таким образом, в плоскости регистрации имеется три проекции частицы - " вид прямо ", " вид сверху ", " вид сбоку ". При этом, поскольку частица смещена относительно осей ОХ, ОУ, на расстояния, превосходящие соответствующие размеры частиц, то все три изображения пространственно разнесены. При совпадении частицы с общим фокусом объективов все три изображения наложатся друг на друга в окрестности точки А”, но, как и для схемы рис. 1.1,
этого наложения можно избежать соответствующей юстировкой зеркал.
Очевидно, что и в этой схеме возможно ограничение счетного объема допустимой глубиной резкости, используя в качестве критерия либо расстояние между изображениями, либо соотношение размеров различных проекций по одной и той же оси координат.
При соответствующей обработке изображений, особенно легко реализуемой с помощью ПЭВМ, нетрудно найти как площадь каждого изображения, так и длину его проекций на взаимно перпендикулярные оси координат, указанные на рис. 1.2. Следовательно, по (1.10) либо предельным случаям указанных соотношений можно вычислить и все три главных размера трехосного эллипсоида.
Следует отметить, что в рассмотренных методах, как и в известных [115], нижний предел измерений по размерам
(определяемый разрешающей способностью формирующей оптики) составляет примерно 1 мкм, а верхний предел измерений по концентрации может составлять 105 см"3.
Таким образом, рассмотренные телевизионные методы, в отличие от известных, позволяют получить в плоскости регистрации одновременно два или три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на взаимно перпендикулярные
плоскости. Это существенно повышает информативность измерений, в частности, дает возможность определения параметров эллипсоида при его произвольной ориентации. При этом "заодно" значительно
упрощается формирование счетного объема - ограничение его вдоль оси светового пучка допустимой глубиной резкости.
Однако, как отмечалось выше, существуют задачи, в которых требуется весьма высокая скорость анализа частиц, превышающая возможности телевизионных методов.
Рассмотрим поэтому методы, основанные на определении амплитудно-временных параметров импульсов рассеянного частицами света (фотоэлектрические методы).