RU2655U1 - Измеритель концентрации воздушных загрязнений - Google Patents

Abstract

1. Измеритель концентрации воздушных загрязнений, содержащий регистрирующий блок, последовательно расположенные источник света, отражатель и фотоприемник, при этом выход фотоприемника соединен с входом регистрирующего блока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок регулировки температуры, измеритель температуры, измеритель влажности, второй источник света и второй фотоприемник, причем исполнительный узел блока регулировки температуры закреплен на отражателе, выход измерителя температуры соединен с первым входом блока регулировки температуры, выход измерителя влажности соединен с вторым входом блока регулировки температуры, второй источник света, отражатель и второй фотоприемник расположены последовательно, а выход второго фотоприемника соединен с вторым входом регистрирующего блока.2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что отражатель расположен горизонтально, а источник света и фотоприемник расположены под отражателем.3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго источника света использована совокупность расположенного между источником света и отражателем светоделителя и зеркала, причем светоделитель, зеркало, отражатель и второй фотоприемник расположены последовательно.

Description

ИЗЖРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦШ ВОЗфТПНЖ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения концентращ-ш воздушных загрязнений пре1мущеотвенно в-районе дислокации промьшшенных, сельскохозяйственных и других объектов, а также в помещениях вышеуказанных объектов, т.е. в тех СЛУЧАЯХ, когда заранее известно загрязняюш,ее вещество.

Известны многочисленные варианты газоанализаторов, например, описанные в С1,23, в рюторых газовая смесь прокачивается через измерительную головку, а концентрация примесей определяется по изменению окраски цветньк индикаторов. Такие газоанализаторы имеют точность.

Известны также различные варианты интерферометров, позволяюш 1Х определять концентрации атмосферных примесей путем измерения показателя преломления, например, описанные в 33 отечественные шахтные интерферометры ШИ-б. Il-I-, газоанализаторы Гази (Карл Цейс Йена, ГДР), Iff А (СССР). Главный их недостаток заключается в сложности конструкции и, следовательно, в высокой стотюсти.

Известны также лидары, предназначенные для зондирования атмосферного озона, например. 43. работа которых основана на ди(|х|)еренциальном поглощении. Принцип работы этого лидара заключается в определении средней концентрации газа в выбранном интерв-але разстонний путем анализа сигналов обратного рассеяния на двух длинах волн, надстроенных соответственно на максищы и мин11Ь1ум спектрального поглощения исследуемого газа. Главный недостаток лидарОЕ такого типа заключается в сложности конструкции и. следовательно, ЕЫСОРЖЙ стоимости. Кроме того, они обладают низкой достоверностью и точностью, т.к. на принимаемые сигналы могут наложиться посторонние сигналы .как на частоте, соответствующей максил1 му спектрального поглощения исследуемого вещества, так и на частоте, соответствующей минимуму спектр-ального поглощения исследуемого вещества, что приведет к искажению результатов измерений. Следует также отметить сложность обработки принятых сигналов, т.к. для получения достоверных результатов необходюло одновременно измерять профиль обратного аэрозольного разсеяния по трассе распространения зондирующих импульсов.

Известны также лидары, например С5, работа которых основана на приеме сигналов на чазтот-ах спонтанного комбинационного рассеяния. Главный недостаток лидаров такого типа заключается в сложности конструкции и, следовательно, высокой стоимости. Кроме того, они облад-ают низкой достоверностью и точностью- получаемых результатов, т.к. на сигнал, соответствующ

спонтанно комбинационному рассеян1-ш на исследуемом веществе, могут наяожиться сигналы на той же (или близкой) частоте, обусловленные вза1шодействием лазерного излучения с другими вeщecтвa ли, или же сигналы, обусловленные фоновым излучением, что приводит к искажению результатов измерений.

Следует также отметить, что вышеописанные устройства имеют общий недостаток, зачипочающийся в том, что в них отсутствует эффект накопления. Этот эффект заключается в том, что если за некоторое время проведен ряд измерений и при этом концентрация измеряемого загрязнения оказывается ниже порога чувотвитель- х ности конкретного устройства, то на основании этого ряда измерений делается неверный вывод о полном отсутстврш -загрязнения, хотя в реальности су лмарное загрязнение за указанный период времени отнюдь не равно нулрз.

Нш более близким по текн таеской сущности к заявляемому измерителю концентрации воздушных загрязнений является устройство, описанное в 6,7 и содержащее последовательно рагглоложенные РЮТОЧНИК света, светоделитель и отражатель, а также фотоприемник и регистрирующий блок, протаем фотоприемник расположен на пути отраженного от ,телн и светоделителя луча, а выход фотоприемника соединен со входом регистрирующего блока. Отражатель представляет собой прозрачщ-то пластину с известным показателем преломления, на которую нанесен слой материала, пок азатель преломления которого требуется определить. Отражатель обращен прозрачной пластиной к источнику света.

Известное устройство работает следующим образом. Луч от источника света после прохождения через светоделитель падает на отражатель по нормали, в результате чего часть света отражается от границы воздух-прозрачная пластина, а прошедший через прозрачную плагзтину свет чадзтично отражается от границы прозрачная пластина - исследуемое вещество. Отраженный от этих границ свет направляется светоделителе.м на фотоприемник, который измеряет мощность падающего на него излучения. Показатель преломления исследуемого вещества можно определить с помощью формул Френеля С83 по известным величинагл: мощность опTiwecKoro излучения источника света, коэффициенты отражения и пропускания светоделителя, показатель преломления воздуха, показатель првло лления прозрачной пластины и мощность падающего на фотоприемник оптического излучения.

- ;§ Недостатки известного устройства ваключаются в узкой области применения и низкой достоверности пoлyчaeмfcLЧ результатов. Узость области пршленения заключается в невозможности использования известного устройства в том виде, он описан в 6, для измерения концентращ-ш воздушных загрязнений в реальном масштабе времени. Низкая достоверность получаемых результатов заключается в том. что показатель преломления исследуемого вещества определяется то.11ько в тонком слое исследуемого вещества, непосредственно прилегающем к прозрачной пластине. Это приводит к тому, что в описанном устройстве отсутствует эффект накопления, т.е. если в процессе роста пленки появляется какое-либо загрязнение, то данное устройство не сможет определить его концентраЩШ}.

-Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей и повьш1ении достоверности получаемых резу.71ьтатов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее регистрирующий блок, последовательно ра/зположенные источник света, отражатель и фотоприемник, при этом выход Фотоприемник соединен с входом реп-ютриру.ющего блока, внесены следующие усовершенствования ( п,1 фор} 1улы полезной модели): он дополнительно содержит блок регулировки температуры, измеритель температуры, измеритель влажности, второй источник света и второй фотоприемник, причем исполнительный узел блока регулировки температуры закреплен на отражателе, выход измерителя температуры соединен с первым входом блока регулировки температуры, выход измерителя влажности соединен со вторым входом блока регулировки температуры, второй источник света, отражатель и второй фотоприемник располо- ч жены последовательно, а выход второго фотоприемника соединен со вторьш входом регистрирующего блока.

Такое построение устройства позволяет осуществить измерение концентрации воздушных загрязнений путем измерения параметров загрязненной водяной пленки, образующейся на отражателе, который поддерживается при определенной темп -ературе. зависящей от температуры и вла;«ности воздуха с помощью блока регулировки температуры. Измерение параметров загрязнений водяной пленки осуществляется за счет смешения на фотоприемнике лучей от источника света, отраженных от границ воздух - пленкл и пленка - отражатель, ва счет смешения на втором фотоприемнике лучей от второго источника света, отраженных от границ воздух - пленка и пленка - отражатель, а также за счет последующей обработки сигналов от фотоприемников в регистрирующем блоке. Это позволяет расширить функциональные возможности за счет определения текущего значения показателя прелок ияения как функцию времени, что позволяет регистрировать концентрацию оседае ьх примесей в реальном масштабе времени. Повышение достоверности получае лых результатов достигается за счет эффекта накопления по мере рс-ста толщ1шы пленки в тек случаях, когда концентрация воздушных npi-шесей при мгновенной регистрации оказАЛАСь бы Hime порога чувствительности.

В чагзтном случае (п.2 формулы полезной модели) отражатель расположен горизонтально, а источник света и фотоприемник расположены под отражателем. Такое построение устройства позволяет исключить возможность загрязнений зеркальной поверхности отраждтеля пылевыми частицами, которые могли бы исказить результаты измерения. Такие пылевые частицы зачастую не представляют

- в носится ко многим видам азрозольных скоплений. В предлагаемой полезной модели объек;том контроля являются частицы конденсата, скорость осаждения которых на отражатель должна определяться только процессами свободной конденсации, определяемой температурой подложки и концентрацией примесей.

В частном случае (п.З полезной модели) в качестве второго источника света использована совокупность расположенного между источником света и отражателем светоделителя и зеркала, причем светоделитель, зерк„ало, отражатель и второй фотоприемник расположены последовательно.

Такое построение измерителя концентрации воздушных загрязнений позволяет разделить оптическое излучение источника света на два пучк и направить lix на отражатель под различными падения, что позволяет ограничиться не двумя, а одним источником света.

Сущность полезной модели поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих заявляемое техническое решение, вариантов исполнения и прилагаемыми чертежами, на которы ::

-на фигЛ и 2 приведены варианты функщюнальны : схем измерителя концентрации воздушных загрязнений;

-на фиг.З и 4 приведены рисунки, поясняющ1 е принцип действия измерителя концентрации воздушньк загрязнений.

Измерите.пь концентрации воздушных загрязнений содержит (фиг.1) блок регулргоовки температуры 1, испо.ЕНительный узел 2 блока регулировки температуры 1, отражатель 3, измеритель температуры 4, измеритель влажности 5, источник света 6, второй источник света 7, фотоприемник 8, второй фотоприемник 9 и регистрирующий блок 10.

закреплен на отражателе 3. Выход измерителя температуры 4 соединен с первым входом блока регулировки температуры 1. Выход измерителя влажности 5 соединен со вторым входом блока регулировки температуры 1.

Источник света 6, отражатель 3 и фотоприемник 3 ра/зположены последовательно, при этом выход фотоприемниь а 8 соединен со входом регистрирующего блока 10, а второй источник света 7, отражатель 3 и второй фотоприемник 9 расположены последовательно, причем выход второго фотоприемника 9 соединен со вторым входом регистрирующего блока 10.

В частном случае, отражатель 3 расположен горизонтально, а источник света 6 и 7 и ф-отоприемники 8 и 9 расположены под отражателем 3.

В частном случае Сфиг.2) между источником света 6 и отражателем 3 рагзположен светоделитель 11, а на пути отраженного от светоделителя 11 пучка ра/зположено зеркало 12, направлнрзщее этот пучок на отра штель 3, npi-raeM второй фотоприемник 10 расположен на пути пучка, последовательно отраженного от светоделителя 11, зеркала 12 и отра кателя 3. Совокупность светоделителя 11 и 12 выполняет роль второго источника света 7.

Устройство работает следующ1-ш образом. Блок регулировки температуры 1 по сигналами, подаваемым на его входы с выходов измерителя температуры 4 и измерителя влажности 5, подает сигналы на вход исполнительного узла 2, который поддерживает температуру отражателя 3 равной или Hime точки росы. При этом на отражателе 3 начинает водяная пленка, в состав которой входит исследуемое загрязнение.

3 - БОБДух - пленка, а прошедшее Б пленку излучение отражается от границы пленка - отражатель и БЫХОДИТ из пленки через границу пленка - воздух. Оба эти пучка попадают на фотоприемник 8, на СБеточуБотБительной поБерхности которого происходит их интерференция. Сигнал о Быхода фотоприемника 8 попадает на первый вход регистрир тощего блока 10. Оптическое излучение от второго источника света 7 падает на водяную пленку, при этом излучения отражается от границы воздух - пленка, а прошедшее в пленку излучение отражается от границы пленка - отражатель и выходит из пленки через границу пленка - воздух. Оба эти пучка попадают на второй фотоприемник 9, на светочувствительной поверхности которого происходит их интерференция. Синал о выхода второго фотоприе.мника 9 попадает на второй вход регистрирующего блока 10. Регистрирующий блок 10 производит обработку и регистрац1Ш сигн-злов с выходов фотоприемников 8 и 9.

Чертеж, поясняющ принцип действия устройства, приведен на фиг.З, где приняты следх-тощие обозначения: 13 - водяная пленр, AG - луч от источника света 6, ВН - луч от второго источника света 7, GC - часть луча от источника света 6, отраженная от границы воздух - пленка,.НД - часть луча от второго источни.ка света 7, отраженная от границы воздух - пленка;, GNMF - чззть луча от источни. сБета 6, прошедшая через пленку 13,.HNLE - часть луча от второго источника света 7, прошедшая через пленку 13, NK - нормаль к поверхности отражателя 3, о6 и углы падения лучей AG и ВН соответственно, о(./- углы преломления лучей GN и HN соответственно, L толщина плен.ки 13, - показатель преломления пленки 13, п - показатель

- Лучи GO и MF попад-ают на фотопряекшик 8 и интерферируют

светочувствительной на его поверхности, а лучи НД и LE попадают

на второй фотоприемник 9 и интерферируют на его светочуБствительной поверкносги .

Луч MF отстает по фазе от луча GC еа счет того, что ему прш:одится дополнительно пройти по пути GMM, Величина этой задержки определяется оптической длиной пути, т.е. произведением п на геометр1иескш длину оумглы отрезков GN и Ш (если границы воздух - пленка и пленка - отражатель параллельны, что обычно выполняется, то GN - Ш).

Т.к. треугольник GNK прямоугольный, то выполняется соотношение

.Ж . (1)

.;

i - u

Из закона преломления / & I StH f-4. - (. Известно соотношение

соеы; у/ 1 - sc V, - (3)

Из (I), (2) и (3) слепует, что

&f( .()

V () 1

Характер измерения оигнаяов на выходах фотоприемников а и 9 приведен на фиг.4, где приняты следующие обозначения: J сигнал на выходе фотоприемн11ка 8j J. - сигнал на вш:оде второго фотоприемника 9, t - время. В пропессе роста пленки 13 сигналы J и J. изменяются по гармоническому законуj если интерферирующее пучки синфазны. то наблюдается макстлум, если противофазны, то мишшум.

Пусть в момент времени t максимумы J и J, совпали. Это означает, что разность хода интерферирующх лучей GC и MF, а также НД и LE равны целом-/ числу волн

п- ( мм) - X

Пп( H/s/- NL) - j

где Х- длина волны источников света Q и 7, М - порядок

интерференции, т.е. номер максим ша сигнала J , ж- - порядок

интерфере нции, т.е. номер макстлума сигнала J, причем У1, 0,1,2,

mii Wj О Д J J

С учетом (5) систему уравнений (6) можно переписать в врще; п,). 2. (n,II

te (О

т } ,Y иистема () представляет двумя неизвестными г L и п, .

1Ь собой систеь у двух уравнений с Легко показать, что

Пп

7 2. , 2 - 2 , Wij- вОК Э- -И. Ыд

(S)

wi - ИЛ

Зная показатель преломления п пленки 13, можно определить концентрацию воздушного загрязнения.

Если з-эфиксированы законы изменения J и J,, во времени t, то можно определить концентращж воздушного загрязнения в любой момент времени t, при этом по гpaфикaJv J (t) и J, (t) можно определить порядки интерференции ки. и w.соответственно, в этом случае они будут дробными.

Заявители:

В.Б.ЗН.4МЕНСЬа

A.A.BIAMEHEB

И.Н.ЛЕГОШША

С.И.ХАНКОВ

В.Г.ЯНОВ

источники ИНФОРМАЦИИ

1.Защита от оружия массового поражения. - Под ред. В.В.Мчоникова. М.: Воениздат. Библиотечка офицера. 1939. C.S37-245.

2.Методическое пособие к практическим занятиям по дисциплине Оружие массового поражения и войск. - Составители Г.Н.Дмитриев, Ф.Н.Соколов, А.Т.Чишко, Э.В.Ложкин. Изд. МО СССР, 198S. С.96-103.

3.Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение, 1976. С.251-253.

4.Kobayshi Т. Techriiques for laser remote sensing of the environment. Remote Sensing- Reviews, New York, NY: Harwood Academic Publishers, 1987, v.3, pp. 1-56.

5.Захаров B.M., Костко 0,K. Метеоролопшескач лазерная локация. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. С.111-112.

6..Кравец Т.П. Изв. АН СССР, серия Физика, 1948, N12. С.504.

7.Прибыткова Н.П. Оптика и спектроскопия, 1957, N 2. С.1957.

8.Ланцсбет)г Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. С. 474.

и -

Claims (3)

1. Измеритель концентрации воздушных загрязнений, содержащий регистрирующий блок, последовательно расположенные источник света, отражатель и фотоприемник, при этом выход фотоприемника соединен с входом регистрирующего блока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок регулировки температуры, измеритель температуры, измеритель влажности, второй источник света и второй фотоприемник, причем исполнительный узел блока регулировки температуры закреплен на отражателе, выход измерителя температуры соединен с первым входом блока регулировки температуры, выход измерителя влажности соединен с вторым входом блока регулировки температуры, второй источник света, отражатель и второй фотоприемник расположены последовательно, а выход второго фотоприемника соединен с вторым входом регистрирующего блока.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что отражатель расположен горизонтально, а источник света и фотоприемник расположены под отражателем.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго источника света использована совокупность расположенного между источником света и отражателем светоделителя и зеркала, причем светоделитель, зеркало, отражатель и второй фотоприемник расположены последовательно.