RU2771880C1 - Method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream - Google Patents

Method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream Download PDF

Info

Publication number
RU2771880C1
RU2771880C1 RU2021123256A RU2021123256A RU2771880C1 RU 2771880 C1 RU2771880 C1 RU 2771880C1 RU 2021123256 A RU2021123256 A RU 2021123256A RU 2021123256 A RU2021123256 A RU 2021123256A RU 2771880 C1 RU2771880 C1 RU 2771880C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
aerosol
photodetector
particle
light
Prior art date
Application number
RU2021123256A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Евгеньевич Варфоломеев
Андрей Александрович Сабельников
Виталий Викторович Пименов
Сергей Евгеньевич Сальников
Евгений Владимирович Черненко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Application granted granted Critical
Publication of RU2771880C1 publication Critical patent/RU2771880C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to control and measuring technology and can be used for non-contact measurement of the parameters of dispersed particles or droplets in gas flows. A method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream includes determining the velocity of the dispersed phase in an aerosol stream by focusing light from one or two lasers at two points along the axis of the aerosol stream, which are separated from each other by a known distance, followed by directing the light scattered by particles to a photodetector, while single-mode laser radiation is focused using the first lens and the first diaphragm at one point of the aerosol flow in a constriction with a previously measured known Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the light scattered by flying particles in the area of the constriction is focused using a second lens and a second diaphragm on the photodetector site, the shapes of scattered light pulses are recorded on the photodetector site by an electronic unit and a high-speed analog-to-digital converter, pulse shapes are processed using a special computer program, their amplitudes and half-widths are determined, the number of registered pulses are calculated, particle velocities are calculated, the particle size and concentration distribution are calculated, the results of particle velocity measurements, their size and concentration in an aerosol cloud using a computer program are calculated and visualized.
EFFECT: possibility of simultaneous determination of velocities, sizes and concentrations of particles in an aerosol stream, including a non-stationary stream.
1 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения различных параметров дисперсных частиц или капель в потоках газа (или прозрачной жидкости), таких как скорости и размеры частиц, их функции распределения, концентрация частиц. В качестве дисперсной компоненты потока газа (жидкости) могут выступать капли жидкости (например, воды) или твердые частицы (пыль, дым, туман). Также предлагаемый способ может быть использован в области экологии для мониторинга окружающей среды, загрязненности и запыленности атмосферы аэрозолями, в частности для непрерывного контроля уровня вредных аэрозолей (капли, пыль, дым, туман) в воздухе, при изучении образования и эволюции аэрозольных облаков, в экспериментальной гидро- и аэродинамике, в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования поля скоростей в потоках газовых или конденсированных сред.The invention relates to the field of instrumentation and can be used for non-contact measurement of various parameters of dispersed particles or drops in gas (or transparent liquid) flows, such as particle velocities and sizes, their distribution functions, particle concentration. Drops of liquid (for example, water) or solid particles (dust, smoke, fog) can act as a dispersed component of a gas (liquid) flow. Also, the proposed method can be used in the field of ecology for monitoring the environment, pollution and dustiness of the atmosphere with aerosols, in particular for continuous monitoring of the level of harmful aerosols (drops, dust, smoke, fog) in the air, when studying the formation and evolution of aerosol clouds, in the experimental hydro- and aerodynamics, in industrial technologies associated with the need to study the velocity field in the flows of gaseous or condensed media.

Уровень техникиState of the art

Большинство бесконтактных оптических методов диагностики параметров движения потока газа (жидкости) основаны на явлении рассеяния лазерного излучения твердыми или жидкими микрочастицами (каплями) в потоке, показатель преломления которых отличается от показателя преломления основной среды в потоке [Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 536 с.]. Распространение света в среде с частицами определяется процессами рассеяния и поглощения [К. Барен, Д. Хафмен, Поглощение и рассеяние света малыми частицами, М.: Мир, 1986, 660 с.]. Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения картины скоростей течения газа являются различные виды лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), позволяющей измерять скорости микрочастиц в потоке газа в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys М., Damascke N., Тгореа С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer, 2003, 738 р.]. В ЛДА излучение лазера расщепляется на два луча, которые затем пересекаются в точке измерения. Пересечение лучей лазера создает картину интерференции света вдоль оси потока. Частицы, проходящие через зону измерения, рассеивают свет, что создает периодический оптический сигнал, частота модуляции которого пропорциональна скорости частиц в потоке.Most non-contact optical methods for diagnosing the parameters of the movement of a gas (liquid) flow are based on the phenomenon of laser radiation scattering by solid or liquid microparticles (drops) in a flow, the refractive index of which differs from the refractive index of the main medium in the flow [Van de Hulst, Scattering of light by small particles, M .: Publishing house of foreign literature, 1961, 536 p.]. The propagation of light in a medium with particles is determined by the processes of scattering and absorption [K. Baren, D. Huffman, Absorption and scattering of light by small particles, Moscow: Mir, 1986, 660 pp.]. Widespread optical methods for non-contact measurement of the pattern of gas flow velocities are various types of laser Doppler anemometry (LDA), which makes it possible to measure the speed of microparticles in a gas flow at a fixed point in the flow [Albrecht N.-E., Borys M., Damascke N., Tgorea S. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer, 2003, 738 p.]. In LDA, the laser radiation is split into two beams, which then intersect at the measurement point. The intersection of the laser beams creates a pattern of light interference along the flow axis. Particles passing through the measurement area scatter light, which creates a periodic optical signal, the modulation frequency of which is proportional to the speed of the particles in the stream.

Также широко известна цифровая визуализация треков изображений частиц в воздушном потоке (PIV - particle image velocimetry), которая применяется для анализа поля скоростей частиц в фиксированном сечении потока [M. Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans, Particle Imaging Velocimetry, Berlin: Springer-Verlag, 2001, 269 p], а также для измерения размеров частиц в потоках аэрозоля [«Способ определения размера капель в аэрозоле», патент RU 2569926 С1, опубл. 10.12.2015, Бюл. №34]. Способ заключается в регистрации треков изображений движущихся частиц на фотоприемной матрице при видеосъемке. Частицы движутся в выделенном световой плоскостью сечении исследуемой среды. Выделенная световая плоскость формируется лазерным излучением с помощью системы линз. Частицы или капли, подсвеченные лазером, на видеоизображении дают треки, ширина которых равна диаметру капель, а длина пропорциональна времени экспозиции и скорости движения капли.Also widely known is digital visualization of particle image tracks in an air flow (PIV - particle image velocimetry), which is used to analyze the particle velocity field in a fixed flow section [M. Raffel, C.E. Willert, J. Kompenhans, Particle Imaging Velocimetry, Berlin: Springer-Verlag, 2001, 269 p], as well as for measuring particle sizes in aerosol flows ["Method for determining the size of droplets in an aerosol", patent RU 2569926 C1, publ. 12/10/2015, Bull. No. 34]. The method consists in recording tracks of images of moving particles on a photodetector matrix during video recording. Particles move in the section of the studied medium selected by the light plane. The selected light plane is formed by laser radiation using a lens system. Particles or drops illuminated by a laser give tracks on the video image, the width of which is equal to the diameter of the drops, and the length is proportional to the exposure time and the speed of the drop.

Существует несколько бесконтактных оптических методов, основанных на регистрации рассеянного лазерного излучения, которые позволяют проводить измерения размеров аэрозольных частиц. Названные методы можно разделить на две группы: методы, в которых определяются характеристики отдельных капель, и методы, основанные на анализе характеристик света, рассеянного ансамблем капель в коллимированном лазерном пучке [Диденко А.А., Бирюк В.В., Лукачев СВ., Матвеев С.Г., Лазерно-оптические методы диагностики процессов горения, Самара, Издательство СГАУ, 2006]. Методы первой группы с наблюдением отдельных капель дают довольно хорошее пространственное разрешение и довольно высокое значение отношения сигнал/шум, но применимы лишь к потокам со сравнительно небольшими концентрациями капель. Вторая группа методов позволяет изучать системы с гораздо более высокими счетными концентрациями капель, чем методы, в которых анализируются отдельные капли. Однако они не позволяют получить хорошего пространственного разрешения и не дают возможности измерять скорость капель, что ограничивает их применимость в области исследования аэрозольных потоков. Кроме того, эти методы требуют использования априорного предположения о виде функции распределения частиц по размерам, параметры которого затем подбираются так, чтобы аппроксимировать фактически наблюдаемое распределение.There are several non-contact optical methods based on the registration of scattered laser radiation, which allow measurements of the size of aerosol particles. These methods can be divided into two groups: methods in which the characteristics of individual drops are determined, and methods based on the analysis of the characteristics of light scattered by an ensemble of drops in a collimated laser beam [Didenko A.A., Biryuk V.V., Lukachev S.V., Matveev S.G., Laser-optical methods for diagnosing combustion processes, Samara, SSAU Publishing House, 2006]. The methods of the first group with the observation of individual droplets give a fairly good spatial resolution and a rather high signal-to-noise ratio, but are applicable only to flows with relatively low droplet concentrations. The second group of methods makes it possible to study systems with much higher number concentrations of droplets than methods in which individual drops are analyzed. However, they do not allow one to obtain a good spatial resolution and do not make it possible to measure the droplet velocity, which limits their applicability in the field of aerosol flow studies. In addition, these methods require the use of an a priori assumption about the form of the particle size distribution function, the parameters of which are then chosen to approximate the actually observed distribution.

Например, для определения размеров аэрозольных капель используется оптический метод, основанный на измерении интенсивности углового рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны лазерного излучения на частицах аэрозоля [ГОСТ Р 8.777-2011]. Индикатриса рассеяния регистрируется, например, фотоприемной матрицей. Затем путем решения обратной задачи рассеяния для сферических частиц определяют средний размер частиц и их концентрацию. В зависимости от отношения πd/λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, d - размер частицы, индикатриса рассеяния изменяется, причем чем меньше размеры частиц, тем более симметричным становится рассеяние под углами 0 и 180°.For example, to determine the size of aerosol droplets, an optical method is used based on measuring the intensity of angular scattering of a plane monochromatic electromagnetic wave of laser radiation on aerosol particles [GOST R 8.777-2011]. The scattering indicatrix is recorded, for example, by a photodetector matrix. Then, by solving the inverse scattering problem for spherical particles, the average particle size and their concentration are determined. Depending on the ratio πd/λ, where λ is the wavelength of electromagnetic radiation, d is the particle size, the scattering indicatrix changes, and the smaller the particle size, the more symmetrical the scattering at angles of 0 and 180° becomes.

Недостатками выше упомянутых способов и устройств на их основе являются достаточно сложная и дорогая конструкция оптических систем, сложные процедуры их калибровки и вследствие этого ограниченность их применения в полевых условиях.The disadvantages of the above methods and devices based on them are the rather complicated and expensive design of optical systems, complex procedures for their calibration and, as a result, their limited use in the field.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения скорости частиц в газовом потоке на основе лазерно-оптического времяпролетного метода («Оптический времяпролетный велосиметр», патент RU 2385461 С2, опубл. 27.03.2010, Бюл. №9). В упомянутом устройстве использован двухфокусный лазерный метод (Laser-Two-Focus method или L2F-велосиметрия), при котором свет от одного или двух лазеров фокусируется в двух точках вдоль оси потока, которые отделены друг от друга на известное расстояние. Частицы в потоке при прохождении через эти две фокусные точки рассеивают свет, который направляется на фотодетектор. Результирующий сигнал состоит из коротких импульсов, и путем измерения времени задержки между соседними импульсами можно определять скорость частиц. Благодаря тому, что интенсивность света фокусируется лишь в двух точках, времяпролетный двухфокусный лазерный метод является более чувствительным по сравнению с методом лазерного доплеровского анемометра. Это является предпочтительным в некоторых случаях, например, при измерениях в трубных потоках природного газа, которые содержат очень малые по размеру частицы, меньше 1 микрона.The closest in technical essence to the claimed invention is a method for determining the velocity of particles in a gas stream based on the laser-optical time-of-flight method ("Optical time-of-flight velocimeter", patent RU 2385461 C2, publ. 27.03.2010, Bull. No. 9). The mentioned device uses a two-focus laser method (Laser-Two-Focus method or L2F-velocimetry), in which light from one or two lasers is focused at two points along the flow axis, which are separated from each other by a known distance. Particles in the stream as they pass through these two focal points scatter the light that is directed to the photodetector. The resulting signal consists of short pulses, and by measuring the delay time between adjacent pulses, the velocity of the particles can be determined. Due to the fact that the light intensity is focused on only two points, the time-of-flight two-focus laser method is more sensitive than the laser Doppler anemometer method. This is preferred in some cases, such as measurements in natural gas pipe streams that contain very small particles, less than 1 micron.

Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем:The main disadvantages of the known technical solution are as follows:

а) устройство на основе данного способа не позволяет измерять размеры частиц в потоках газа или жидкости;a) a device based on this method does not allow measuring particle sizes in gas or liquid flows;

б) устройство на основе данного способа не позволяет измерять концентрацию частиц в потоке;b) the device based on this method does not allow measuring the concentration of particles in the flow;

в) устройство на основе данного способа имеет достаточно сложную оптическую систему и потому его применение в полевых условиях ограничено.c) a device based on this method has a rather complex optical system, and therefore its use in the field is limited.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение является повышение эффективности измерений характеристик нестационарных аэрозольных потоков за счет измерения нескольких параметров формы импульсов рассеянного света от аэрозольных частиц, пролетающих через луч лазера с гауссовым распределение интенсивности, а также упрощение и удешевление устройства за счет использования упрощенной однолучевой оптической схемы измерения рассеянного света с одним фотоприемником.The technical problem to be solved by the present invention is to increase the efficiency of measuring the characteristics of non-stationary aerosol flows by measuring several parameters of the shape of scattered light pulses from aerosol particles flying through a laser beam with a Gaussian intensity distribution, as well as simplifying and reducing the cost of the device through the use of a simplified single-beam optical scheme for measuring scattered light with one photodetector.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность одновременного определения скоростей капель или частиц, распределения их размеров и концентрации в аэрозольном потоке, в том числе нестационарном.The technical result of the claimed invention is the possibility of simultaneously determining the velocities of drops or particles, the distribution of their sizes and concentrations in an aerosol stream, including non-stationary one.

Для достижения технического результата предложен способ определения параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке, заключающийся в том, что определяют скорость дисперсной фазы в аэрозольном потоке путем фокусировки света от одного или двух лазеров в двух точках вдоль оси аэрозольного потока, которые отделены друг от друга на известное расстояние, с последующим направлением рассеянного частицами света на фотодетектор, при этом, одномодовое лазерное излучение фокусируют с помощью первой линзы и первой диафрагмы в одной точке аэрозольного потока в перетяжку с заранее измеренным известным гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении луча, рассеянный пролетающими частицами в области перетяжки свет фокусируют с помощью второй линзы и второй диафрагмы на площадке фотодетектора, регистрируют формы импульсов рассеянного света на площадке фотодетектора электронным блоком и быстродействующим аналого-цифровым преобразователем, с помощью специальной программы на компьютере обрабатывают формы импульсов, определяют их амплитуды и полуширины, количество зарегистрированных импульсов, вычисляют скорости частиц, вычисляют распределение по размерам и концентрации частиц, проводят расчет и визуализацию результатов измерений скорости частиц, их размеров и концентрации в аэрозольном облаке с помощью компьютерной программы.To achieve a technical result, a method is proposed for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol flow, which consists in determining the speed of the dispersed phase in an aerosol flow by focusing light from one or two lasers at two points along the axis of the aerosol flow, which are separated from each other by a known distance , with the subsequent direction of the light scattered by the particles to the photodetector, while the single-mode laser radiation is focused by means of the first lens and the first diaphragm at one point of the aerosol flow into the constriction with a pre-measured known Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the light scattered by the flying particles in the region of the constriction focus with the help of the second lens and the second diaphragm on the photodetector site, register the shapes of the scattered light pulses on the photodetector site by the electronic unit and high-speed analog-to-digital converter, using a special program on the processing computer the pulse shapes are determined, their amplitudes and half-widths, the number of registered pulses are determined, the particle velocities are calculated, the particle size distribution and concentration are calculated, the measurement results of the particle velocity, their size and concentration in the aerosol cloud are calculated and visualized using a computer program.

Сущность предлагаемого способа состоит в измерении формы импульсов рассеянного света от аэрозольных частиц, которые пролетают через луч лазера с известным гауссовым распределением интенсивности, и последующей математической обработки формы импульсов.The essence of the proposed method consists in measuring the shape of scattered light pulses from aerosol particles that fly through a laser beam with a known Gaussian intensity distribution, and subsequent mathematical processing of the pulse shape.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 показана схема аппаратуры для определения параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке, где:In FIG. 1 shows a diagram of the equipment for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream, where:

1 - компьютер;1 - computer;

2 - электронный блок с быстродействующим аналого-цифровым преобразователем;2 - electronic unit with high-speed analog-to-digital converter;

3 - фотодетектор;3 - photodetector;

4 - вторая линза;4 - second lens;

5 - вторая диафрагма;5 - second diaphragm;

6 - лазер,6 - laser,

7 - поток аэрозоля;7 - aerosol flow;

8 - первая диафрагма;8 - first diaphragm;

9 - первая линза.9 - the first lens.

На фиг. 2 приведен пример нескольких зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке общей длительностью около 0,3 с. In FIG. Figure 2 shows an example of several recorded pulses of scattered light from water droplets in a non-stationary pulsed aerosol flow with a total duration of about 0.3 s.

На фиг. 3 показана полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов гистограмма числа капель воды в зависимости от их скорости в таком импульсном аэрозольном потоке и соответствующая полученная логарифмически-нормальная функция распределения скоростей капель воды в аэрозольном потоке.In FIG. Figure 3 shows the histogram of the number of water droplets as a function of their velocity in such a pulsed aerosol flow, obtained by processing all registered pulses, and the corresponding obtained logarithmically normal function of the distribution of water droplet velocities in the aerosol flow.

На фиг. 4, приведена гистограмма числа капель воды в зависимости от их размера для экспериментального импульсного аэрозольного потока, полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель, и соответствующая подгонка для логнормальной функции распределения размеров капель.In FIG. Figure 4 shows a histogram of the number of water droplets depending on their size for the experimental pulsed aerosol flow, obtained by processing all registered pulses of scattered light from droplets, and the corresponding fitting for the lognormal droplet size distribution function.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Предлагаемый способ реализуется с помощью аппаратуры, схема которой показана на фиг. 1, которая включает один быстродействующий фотодетектор 3 (например, фотодиод или фототранзистор) и одномодовый лазер 6 (например, диодный или газовый), набор линз 4 и 9 и диафрагм 5 и 8. Электрический сигнал фотодетектора 3 регистрируется с помощью электронного блока с быстродействующим аналого-цифровым преобразователем 2, включающего быстрый АЦП с буферной памятью. Окончательная обработка сигнала и визуализация результатов измерений производится с помощью компьютера 1.The proposed method is implemented using the equipment, the scheme of which is shown in Fig. 1, which includes one high-speed photodetector 3 (for example, a photodiode or phototransistor) and a single-mode laser 6 (for example, diode or gas), a set of lenses 4 and 9 and apertures 5 and 8. The electrical signal of the photodetector 3 is recorded using an electronic unit with a high-speed analog -digital converter 2, including a fast ADC with buffer memory. The final signal processing and visualization of the measurement results is performed using computer 1.

Определение параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке проводят следующим образом. Аэрозольный поток 7 направляется через область фокусировки лазерного луча, в которой создается гауссово распределение интенсивности. Если внешний поток отсутствует, то используется прокачка с помощью встроенного побудителя расхода (на фиг. 1 не показан). Излучение одномодового лазера 6, сфокусированное с помощью первой линзы 9 и первой диафрагмы, образует перетяжку с заранее измеренным известным гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении луча. Каждая из частиц в потоке аэрозоля 7 при пролете через область перетяжки приводит к импульсу рассеянного света в течение времени пролета. Рассеянный в области перетяжки свет с помощью второй линзы 4 и второй диафрагмы 5 собирается в диапазоне углов, ограниченных диафрагмой, и фокусируется на площадке фотодетектора 3. Результирующий сигнал на фотодетекторе 3 представляет собой временную последовательность импульсов, каждый из которых соответствует пролету одной капли или частицы через область перетяжки лазерного луча. Одновременное определение параметров аэрозольного потока, таких как скорость и размер каждой частицы, функции распределения скоростей и размеров частиц, концентрация частиц, сводится к измерению характерных параметров формы каждого импульса рассеянного света и общего числа импульсов за время регистрации.Determination of the parameters of the dispersed phase in the aerosol flow is carried out as follows. The aerosol stream 7 is directed through the focusing region of the laser beam, in which a Gaussian intensity distribution is created. If there is no external flow, then pumping is used using the built-in flow driver (not shown in Fig. 1). The radiation of a single-mode laser 6, focused by the first lens 9 and the first diaphragm, forms a waist with a pre-measured known Gaussian intensity distribution in the beam cross section. Each of the particles in the aerosol flow 7, when passing through the waist region, results in a scattered light pulse during the time of flight. The light scattered in the waist region is collected with the help of the second lens 4 and the second diaphragm 5 in the range of angles limited by the diaphragm and is focused on the area of the photodetector 3. The resulting signal on the photodetector 3 is a time sequence of pulses, each of which corresponds to the passage of one drop or particle through area of the laser beam waist. Simultaneous determination of aerosol flow parameters, such as the velocity and size of each particle, distribution functions of particle velocities and sizes, and particle concentration, is reduced to measuring the characteristic parameters of the shape of each scattered light pulse and the total number of pulses during registration.

Например, длительность каждого импульса рассеянного света определяется скоростью пролета капли через луч. Амплитуда импульса определяется интенсивностью рассеяния света, которая зависит от размера капли. Число импульсов соответствует числу частиц, пролетевших через область перетяжки с известными размерами за время регистрации, и определяется концентрацией частиц в потоке. Обработка формы импульсов, определение их амплитуды и полуширины, числа зарегистрированных импульсов производится с помощью специальной программы на компьютере 1.For example, the duration of each scattered light pulse is determined by the speed of the droplet passing through the beam. The pulse amplitude is determined by the light scattering intensity, which depends on the droplet size. The number of pulses corresponds to the number of particles that have flown through the waist region with known sizes during the registration time and is determined by the particle concentration in the flow. Processing of the shape of pulses, determination of their amplitude and half-width, the number of registered pulses is carried out using a special program on computer 1.

В предложенном способе используется тот факт, что распределение интенсивности излучения одномодового лазера 6 в поперечном сечении перетяжки описывается гауссовой функцией. В этом случае вдоль любой прямой в поперечном сечении одномодового лазерного луча будет наблюдаться гауссово распределение интенсивности с разной амплитудой, но одной и той же полушириной. Благодаря этому свойству при пролете частиц малых размеров с одинаковой скоростью через область перетяжки форма регистрируемых импульсов рассеянного света будет описываться гауссианами с одинаковой полушириной, которая соответствует времени пролета частиц через область перетяжки. Таким образом полуширина регистрируемых фотодетектором импульсов, каждый из которых соответствует пролету частицы через область перетяжки, будет одинаковой при любой траектории частиц в поперечном сечении луча (даже при пролете частиц не по центру сечения), если скорости частиц одинаковы и перпендикулярны лучу. В результате скорость каждой частицы, пролетевшей через область перетяжки, можно определить зная диаметр перетяжки (например, по полуширине интенсивности) и измеряя длительность (например, по полуширине) каждого регистрируемого импульса. При условии малости размеров частиц по сравнению с диаметром перетяжки скорость частицы определяется как отношение этих двух величин. Функцию распределения частиц по скоростям определяют по построенной гистограмме числа импульсов, зарегистрированных фотодетектором 3, в зависимости от скорости.The proposed method uses the fact that the intensity distribution of the radiation of a single-mode laser 6 in the cross section of the waist is described by a Gaussian function. In this case, along any straight line in the cross section of a single-mode laser beam, a Gaussian intensity distribution with different amplitudes but the same half-width will be observed. Due to this property, during the passage of small particles with the same speed through the waist region, the shape of the detected scattered light pulses will be described by Gaussians with the same half-width, which corresponds to the time of flight of particles through the waist region. Thus, the half-width of the pulses recorded by the photodetector, each of which corresponds to the passage of a particle through the waist region, will be the same for any particle trajectory in the beam cross section (even if the particles do not fly through the center of the section), if the particle velocities are the same and perpendicular to the beam. As a result, the velocity of each particle flying through the waist region can be determined by knowing the diameter of the waist (for example, from the intensity half-width) and by measuring the duration (for example, from the half-width) of each registered pulse. Under the condition that the particle size is small compared to the waist diameter, the particle velocity is determined as the ratio of these two quantities. The particle velocity distribution function is determined from the constructed histogram of the number of pulses recorded by the photodetector 3, depending on the velocity.

Другой возможный вариант реализации данного способа заключается в создании постоянного распределения интенсивности излучения с прямоугольным поперечным сечением с известными размерами в детектируемом объеме. Подобную форму сечения пучка или детектируемой области в потоке можно осуществить с помощью соответствующей формы дифрагм или фокусировки излучения, рассеянного частицами в детектируемой области, на прямоугольную приемную площадку фотоприемника с известными размерами.Another possible implementation of this method is to create a constant radiation intensity distribution with a rectangular cross section with known dimensions in the detected volume. A similar shape of the beam cross section or a detectable region in a flow can be achieved using the appropriate form of diaphragms or focusing of the radiation scattered by particles in the detected region onto a rectangular receiving area of a photodetector with known dimensions.

Распределение аэрозольных частиц по размерам в данном способе находят следующим образом. Амплитуда импульса Is на фотодетекторе 3 определяется интенсивностью рассеянного света при пролете капли через область перетяжки и зависит от размера капли. При достаточно больших размерах частиц d, когда выполняется условие πd/λ>>1, сечение рассеяния света на частице пропорционально квадрату диаметра частицы [Н.-Е. Albrecht, М. Borys, N. Damaschke, с. Tropea, Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003]. Если капля пролетает через область перетяжки на расстоянии л от оси луча, причем распределение интенсивности луча перпендикулярно оси описывается гауссианом I0(х), то амплитуда импульса рассеянного света Is(x, d) при условии d/λ>>1 пропорциональна квадрату размера капель d и интенсивности лазера I0(x) на расстоянии x от оси перетяжки:The size distribution of aerosol particles in this method is found as follows. The pulse amplitude I s on the photodetector 3 is determined by the intensity of the scattered light during the flight of the drop through the waist region and depends on the size of the drop. At sufficiently large particle sizes d, when the condition πd/λ>>1 is satisfied, the light scattering cross section on the particle is proportional to the square of the particle diameter [N.-E. Albrecht, M. Borys, N. Damaschke, p. Tropea, Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003]. If a drop flies through the waist region at a distance l from the beam axis, and the beam intensity distribution perpendicular to the axis is described by the Gaussian I 0 (x), then the scattered light pulse amplitude I s (x, d) under the condition d/λ>>1 is proportional to the square of the size drops d and laser intensity I 0 (x) at a distance x from the waist axis:

Figure 00000001
Figure 00000001

где с - коэффициент, который зависит в частности от диаграммы рассеяния частиц и угла расположения фотодетектора. При выполнении условия геометрического рассеяния d/λ>>1 диаграмма рассеяния таких частиц в прямом направлении имеет угол около 20° и коэффициент с можно считать приблизительно постоянным [Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 536 с.]. Интенсивность света, рассеянного от частиц разного размера, будет одинаковой при пролете частиц на разном расстоянии х от оси луча и равной Is(0, d), если для размера частиц выполняется уравнениеwhere c is a coefficient which depends in particular on the particle scattering pattern and the angle of the photodetector. Under the condition of geometric scattering d/λ>>1, the scattering diagram of such particles in the forward direction has an angle of about 20° and the coefficient c can be considered approximately constant [Van de Hulst, Scattering of light by small particles, M.: Foreign Literature Publishing House, 1961, 536 with.]. The intensity of light scattered from particles of different sizes will be the same when the particles pass at different distances x from the beam axis and equal to I s (0, d) if the particle size satisfies the equation

Figure 00000002
Figure 00000002

где а(x)=c Io(0)/Io(x) - коэффициент, характеризующий гауссов профиль интенсивности излучения на расстоянии х от оси перетяжки, который на разных расстояниях имеет одну и ту же полуширину и отличается лишь амплитудой. По зарегистрированным импульсам рассеянного света компьютерной программой строится гистограмма, которая отображает число импульсов в зависимости от квадратного корня из их амплитуды Is. Параметры функции распределения числа капель по диаметру определяют путем численной подгонки параметров модельной функции к измеренной гистограмме. Эта модельная функция описывает распределение числа капель в зависимости от интенсивности рассеянного ими света и определяется следующим образомwhere a(x)=c I o (0)/I o (x) is the coefficient characterizing the Gaussian radiation intensity profile at a distance x from the waist axis, which has the same half-width at different distances and differs only in amplitude. Based on the detected scattered light pulses, a computer program constructs a histogram that displays the number of pulses as a function of the square root of their amplitude I s . The parameters of the distribution function of the number of drops by diameter are determined by numerically fitting the parameters of the model function to the measured histogram. This model function describes the distribution of the number of drops depending on the intensity of the light scattered by them and is defined as follows

Figure 00000003
Figure 00000003

где F(d, μ, σ) - плотность функции распределения капель по диаметру (обычно априори предполагается логнормальное или нормальное распределение), J - диаметр капель, μ - средний размер капель, σ - дисперсия распределения. Заметим, что выражение для модельной функции учитывает тот факт, что частицы могут пролетать не по центру, а на расстоянии от оси луча. Параметры функции распределения капель по диаметрам: средний диаметр μ и дисперсия σ, - входят в параметры модельной функции. Численная подгонка этих параметров к измеренной гистограмме позволяет определить распределение числа капель по размеру.where F(d, μ, σ) is the density of the droplet diameter distribution function (usually a lognormal or normal distribution is assumed a priori), J is the droplet diameter, μ is the average droplet size, σ is the distribution variance. Note that the expression for the model function takes into account the fact that particles can fly not in the center, but at a distance from the beam axis. The parameters of the distribution function of droplets by diameters: the average diameter μ and the dispersion σ, - are included in the parameters of the model function. Numerical fitting of these parameters to the measured histogram makes it possible to determine the size distribution of the number of droplets.

Концентрацию частиц К в аэрозольном потоке определяют согласно выражению:The concentration of particles K in the aerosol flow is determined according to the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где N - число частиц аэрозоля, пролетевших через область перетяжки за время измерения, которое равно числу зарегистрированных импульсов; t - время измерения; ν - скорость потока; S - площадь области перетяжки, сфокусированной на фотодетекторе 3.where N is the number of aerosol particles that have flown through the waist region during the measurement time, which is equal to the number of registered pulses; t is the measurement time; ν - flow rate; S is the area of the waist region focused on photodetector 3.

Заметим, что возможность измерять большие концентрации капель ограничивается возможностью регистрации формы отдельных импульсов на фотодетекторе 3, каждый из которых соответствует пролету капли через область перетяжки лазерного луча. В свою очередь возможность регистрации формы отдельных импульсов определяется размерами перетяжки, скоростью частиц, быстродействием фотодетектора и электронного блока с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).Note that the ability to measure large concentrations of droplets is limited by the possibility of recording the shape of individual pulses on photodetector 3, each of which corresponds to the passage of a drop through the region of the laser beam waist. In turn, the possibility of recording the shape of individual pulses is determined by the size of the waist, the velocity of particles, the speed of the photodetector and the electronic unit with an analog-to-digital converter (ADC).

Сбор данных, расчет и визуализация результатов измерений скорости частиц, их размеров и концентрации в аэрозольном потоке производятся с помощью специально разработанной программы на компьютере.Data collection, calculation and visualization of the results of measurements of the particle velocity, their size and concentration in the aerosol flow are carried out using a specially developed computer program.

Конкретный пример реализации предложенного способа.A specific example of the implementation of the proposed method.

В аппаратуре (фиг. 1) был использован одномодовый диодный лазер с длиной волны излучения 632 нм и мощностью 15 мВт. Фокусирующая линза после лазера обеспечивала образование перетяжки с гауссовым профилем интенсивности излучения полушириной D=150 мкм. Параметры распределения интенсивности в поперечном сечении области перетяжки были измерены цифровым микроскопом с фильтрами. Фото детектор на основе фототранзистора BPW85B был расположен под углом 13° к оси лазерного луча. Регистрация формы импульсов рассеянного света производилась фотодетектором, соединенным с быстродействующим АЦП АКИП 72207А (100 МГц, 1 Гвыб/с) и компьютером со специальной программой обработки формы и числа зарегистрированных импульсов. Программа определяет по форме импульсов амплитуду и полуширину каждого импульса, число импульсов и строит гистограммы числа частиц (капель) в зависимости от их скорости и размера, вычисляет концентрацию частиц (капель) в потоке.The apparatus (Fig. 1) used a single-mode diode laser with a wavelength of 632 nm and a power of 15 mW. The focusing lens after the laser provided the formation of a waist with a Gaussian radiation intensity profile with a half-width D=150 μm. The intensity distribution parameters in the cross section of the constriction region were measured with a digital microscope with filters. A photodetector based on a BPW85B phototransistor was placed at an angle of 13° to the laser beam axis. The shape of the scattered light pulses was recorded by a photodetector connected to a high-speed ADC AKIP 72207A (100 MHz, 1 GS/s) and a computer with a special program for processing the shape and number of registered pulses. The program determines the amplitude and half-width of each pulse, the number of pulses by the shape of the pulses and builds histograms of the number of particles (drops) depending on their speed and size, calculates the concentration of particles (drops) in the flow.

Пример нескольких зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке общей длительностью около 0,3 с приведен на фиг. 2. Скорость капли ν вычислялась специальной программой для каждого импульса какAn example of several recorded pulses of scattered light from water droplets in a non-stationary pulsed aerosol flow with a total duration of about 0.3 s is shown in Fig. 2. The droplet velocity ν was calculated by a special program for each pulse as

Figure 00000005
Figure 00000005

где D - полуширина гауссова профиля интенсивности излучения в области перетяжки, t - полуширина импульса по времени.where D is the half-width of the Gaussian profile of the radiation intensity in the waist region, t is the half-width of the pulse with respect to time.

На фиг. 3 показана полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов гистограмма числа капель воды в зависимости от их скорости в таком импульсном аэрозольном потоке и соответствующая полученная логарифмически-нормальная функция распределения скоростей капель воды в аэрозольном потоке.In FIG. Figure 3 shows the histogram of the number of water droplets as a function of their velocity in such a pulsed aerosol flow, obtained by processing all registered pulses, and the corresponding obtained logarithmically normal function of the distribution of water droplet velocities in the aerosol flow.

На фиг. 4, как пример, приведена гистограмма числа капель воды в зависимости от их размера для экспериментального импульсного аэрозольного потока, полученная при обработке всех зарегистрированных импульсов рассеянного света от капель, и соответствующая подгонка для логнормальной функции распределения размеров капель. Функция распределения капель по размерам определялась по измеренной гистограмме согласно формуле (3). Переход от относительных величин диаметра, которые пропорциональны квадратному корню из амплитуды импульсов при условии d/λ>>1, к абсолютным значениям был проведен путем калибровки измерительной системы. Калибровку осуществляли путем измерения с помощью микроскопа абсолютного размера капель, осажденных из того же аэрозольного потока на гидрофобную подложку, построения соответствующей калибровочной гистограммы и сопоставления параметров калибровочного и экспериментального распределений по размерам.In FIG. Figure 4, as an example, shows a histogram of the number of water droplets depending on their size for an experimental pulsed aerosol flow, obtained by processing all registered scattered light pulses from droplets, and the corresponding fit for the lognormal droplet size distribution function. The droplet size distribution function was determined from the measured histogram according to formula (3). The transition from relative diameter values, which are proportional to the square root of the pulse amplitude under the condition d/λ>>1, to absolute values was carried out by calibrating the measuring system. Calibration was carried out by measuring, using a microscope, the absolute size of droplets deposited from the same aerosol flow onto a hydrophobic substrate, plotting the corresponding calibration histogram, and comparing the parameters of the calibration and experimental size distributions.

Средняя численная концентрация капель в экспериментальном импульсном аэрозольном потоке K=1590 см-3 была определена согласно формуле (4) с учетом следующих параметров: S=0,5 мм2 - площадь детектируемой области, отображенной на фотоприемник, ν=4 м/с - средняя скорость капель в потоке, время усреднения - t=0,2 с. Заметим, что в случае нестационарного потока имеется также возможность измерять численную, объемную и массовую концентрацию капель в зависимости от времени.The average numerical concentration of drops in the experimental pulsed aerosol flow K=1590 cm -3 was determined according to the formula (4) taking into account the following parameters: S=0.5 mm 2 - the area of the detected area displayed on the photodetector, ν=4 m/s - average speed of drops in the flow, averaging time - t=0.2 s. Note that in the case of an unsteady flow, it is also possible to measure the numerical, volumetric, and mass concentration of droplets as a function of time.

Таким образом с помощью предложенного способа можно измерять скорости отдельных частиц или капель в потоке газа или жидкости, распределение по размерам и скоростям частиц в стационарных и нестационарных потоках в зависимости от времени, общее количество, а также концентрацию частиц в зависимости от времени. На основе нескольких подобных устройств, расположенных в различных местах, можно организовать многоканальную измерительную сеть с дистанционным сбором данных на компьютер.Thus, using the proposed method, it is possible to measure the velocities of individual particles or drops in a gas or liquid flow, the distribution of particle sizes and velocities in stationary and non-stationary flows depending on time, the total number, as well as the concentration of particles depending on time. Based on several similar devices located in different places, it is possible to organize a multi-channel measuring network with remote data collection on a computer.

Claims (1)

Способ определения параметров дисперсной фазы в аэрозольном потоке, заключающийся в том, что определяют скорость дисперсной фазы в аэрозольном потоке путем фокусировки света от одного или двух лазеров в двух точках вдоль оси аэрозольного потока, которые отделены друг от друга на известное расстояние, с последующим направлением рассеянного частицами света на фотодетектор, отличающийся тем, что одномодовое лазерное излучение фокусируют с помощью первой линзы и первой диафрагмы в одной точке аэрозольного потока в перетяжку с заранее измеренным известным гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении луча, рассеянный пролетающими частицами в области перетяжки свет фокусируют с помощью второй линзы и второй диафрагмы на площадке фотодетектора, регистрируют формы импульсов рассеянного света на площадке фотодетектора электронным блоком и быстродействующим аналого-цифровым преобразователем, с помощью специальной программы на компьютере обрабатывают формы импульсов, определяют их амплитуды и полуширины, количество зарегистрированных импульсов, вычисляют скорости частиц, вычисляют распределение по размерам и концентрации частиц, проводят расчет и визуализацию результатов измерений скорости частиц, их размеров и концентрации в аэрозольном облаке с помощью компьютерной программы.A method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol flow, which consists in determining the speed of the dispersed phase in an aerosol flow by focusing light from one or two lasers at two points along the axis of the aerosol flow, which are separated from each other by a known distance, followed by the direction of the scattered particles of light onto a photodetector, characterized in that single-mode laser radiation is focused using the first lens and the first diaphragm at one point of the aerosol flow into the waist with a pre-measured known Gaussian intensity distribution in the beam cross section, the light scattered by flying particles in the waist region is focused using the second lenses and the second diaphragm on the photodetector site, register the scattered light pulse shapes on the photodetector site by an electronic unit and a high-speed analog-to-digital converter, use a special computer program to process the pulse shapes, determine them and amplitudes and half-widths, the number of registered pulses, calculate the particle velocities, calculate the particle size distribution and concentration, calculate and visualize the results of measurements of the particle velocity, their size and concentration in the aerosol cloud using a computer program.
RU2021123256A 2021-08-04 Method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream RU2771880C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2771880C1 true RU2771880C1 (en) 2022-05-13

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812314C1 (en) * 2023-11-24 2024-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for determining parameters of drops in non-stationary aerosol flow

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10239767A1 (en) * 2002-08-29 2004-03-18 Inamed Gmbh Apparatus to analyze particle behavior in an aerosol has a camera to take images of particles in a drop tube, at known intervals, to measure sedimentation speeds
RU2495403C1 (en) * 2012-05-22 2013-10-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) Method for determining disperse composition of drops in atomiser atomisation flame
RU2569926C1 (en) * 2014-08-26 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" Determination of drop sizes in aerosol

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10239767A1 (en) * 2002-08-29 2004-03-18 Inamed Gmbh Apparatus to analyze particle behavior in an aerosol has a camera to take images of particles in a drop tube, at known intervals, to measure sedimentation speeds
RU2495403C1 (en) * 2012-05-22 2013-10-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) Method for determining disperse composition of drops in atomiser atomisation flame
RU2569926C1 (en) * 2014-08-26 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" Determination of drop sizes in aerosol

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОСТ Р 8.777-2011 "ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ АЭРОЗОЛЕЙ И ВЗВЕСЕЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ПО ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ", 2011. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813558C1 (en) * 2023-07-14 2024-02-13 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for measuring attenuation of optical radiation by aerosol medium
RU2812314C1 (en) * 2023-11-24 2024-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for determining parameters of drops in non-stationary aerosol flow

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tuck et al. Techniques for measurement of droplet size and velocity distributions in agricultural sprays
AU2013327811B2 (en) One-dimensional global rainbow measurement device and measurement method
Wilson et al. Aerodynamic particle size measurement by laser-doppler velocimetry
Bachalo Experimental methods in multiphase flows
US4251733A (en) Technique for simultaneous particle size and velocity measurement
Petrak Simultaneous measurement of particle size and particle velocity by the spatial filtering technique
De Cock et al. Measurements of reference ISO nozzles by high-speed imaging
WO1997036165A1 (en) A method and apparatus for the real-time characterisation of particles suspended within a fluid medium
RU2771880C1 (en) Method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream
CN106225861A (en) The determinator of a kind of fluid flow and airborne vehicle fuel quantity assay method
Aizu et al. New Generation of Phase‐Doppler Instruments for particle velocity, size and concentration measurements
Bagherpour et al. Droplet sizing and velocimetry in the wake of rotary-cage atomizers
RU2812314C1 (en) Method for determining parameters of drops in non-stationary aerosol flow
US4829838A (en) Method and apparatus for the measurement of the size of particles entrained in a gas
CN108801377A (en) A kind of Optical devices for specialized fluids flow velocity and flow measurement
Bachalo et al. Phase Doppler Interferometry for Efficient Cloud Drop Size Distribution, Number Density, and LWC Measurements
RU2523737C1 (en) Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end
Eder et al. Laser-Doppler Velocimetry—Principle and Application to Turbulence Measurements
Ungut et al. Simultaneous velocity and particle size measurement in two phase flows by Laser Anemometry
Petrak Simultaneous measurements of particle size and velocity with spatial filtering technique in comparison with coulter multisizer and laser doppler velocimetry
RU2569926C1 (en) Determination of drop sizes in aerosol
Beversdorff et al. In-flight laser anemometry for aerodynamic investigations on an aircraft
Zakaria et al. Light scattering efficiency of oil smoke seeding droplets in PIV systems
Smith et al. A comparison of two laser-based diagnostics for analysis of particles in thermal spray streams
Rambert et al. Laboratory study of fungal spore movement using Laser Doppler Velocimetry