RU2812314C1 - Способ определения параметров капель в нестационарных аэрозольных потоках - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к бесконтактным оптическим измерениям скорости, размера и концентрации капель жидкости в нестационарных аэрозольных потоках. Способ определения параметров капель в нестационарных аэрозольных потоках заключается в том, что поток аэрозоля направляют в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера, подсвеченные капли регистрируют видеосистемой микроскопа в виде изображения отдельных треков, где ширину трека определяют размером движущейся капли, излучение маломощного диодного лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме, пропускают через цилиндрическую линзу, которая формирует узкий щелевидный в сечении луч света, аэрозольный поток капель направляют в область фокусировки видеомикроскопа, расположенного под определенным углом к излучению маломощного диодного лазера, изображения фокусных точек капель аэрозоля регистрируются цифровым видеомикроскопом, при этом каждая капля, попавшая в область детектирования видеомикроскопа, детектируется на кадрах в виде прерывистого трека из точек, которые соответствуют отдельным импульсам излучения лазера и яркость которых определяется размером движущейся капли. Все кадры с изображениями треков передают на компьютер, где обрабатывают параметры прерывистых треков, определяют яркости точек, интервалы между точками для разных треков, количество зарегистрированных треков в единице объема за единицу времени, вычисляют скорости капель, строят соответствующие гистограммы и определяют распределение по размерам и скоростям, концентрацию капель. Технический результат - возможность одновременного определения размеров капель, их скоростей и концентрации в аэрозольном потоке. 5 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области техники связанной с одновременным бесконтактным оптическим измерением скорости, размера и концентрации капель жидкости в нестационарных аэрозольных потоках и может быть использовано в метеорологии, экологии, промышленных технологиях, научных исследованиях и других областях, требующих бесконтактного одновременного измерения различных параметров размеров капель.

Уровень техники

Известен метод цифровой трассерной визуализации траекторий частиц в воздушном потоке - PIV (Particle Image Velocimetry), который 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 р]. Метод PIV позволяет получить мгновенное распределение скорости и размера частиц аэрозоля в пределах двумерной плоскости, называемой часто «световой нож». Способ заключается в регистрации треков изображений движущихся частиц на фотоприемной матрице на различных кадрах при скоростной видеосъемке. Частицы движутся в выделенном световой плоскостью сечении исследуемой среды. Выделенная световая плоскость («световой нож») формируется лазерным излучением с помощью цилиндрической линзы. На основе полученной информации с помощью специальных программ определяется смещение и временной интервал между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные распределения скоростей частиц в плоскости светового ножа. Существует также разновидность метода PIV с многократной экспозицией треков за время одного кадра.

Известен способ бесконтактной лазерной диагностики нестационарного гидропотока и устройство для его реализации (патент RU 2523737 С1), сущность которого основана на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), и включает установку CCD камер под углом, вычисленным с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, определение временного интервала между сериями изображений, фиксирование и запись изображений частиц и статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости. Устройство включает ЛДА, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, процессор обработки изображений, персональный компьютер и корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц, содержащий цилиндрическую кювету с образцом рабочей жидкости, лазерный излучатель, шесть или более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы. Изобретение способствует повышению эффективности проведения измерений характеристик нестационарного гидропотока за счет адаптивного учета изменения оптических свойств исследуемой среды и тем самым повышению эффективности использования измерительного оборудования. Недостатком способа является сложность устройства, использование скоростных видеокамер и необходимость использования нескольких методов для определения параметров частиц.

Известен метод определения размеров частиц по дифракции лазерного излучения (ГОСТ Р 8.777-2011), который основан на измерении интенсивности углового рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны на достаточно большом ансамбле из частиц аэрозоля. На основании измерения индикатрисы рассеяния, регистрируемой многоэлементным фотоприемным устройством, путем решения обратной задачи рассеяния для моделей частиц сферической формы определяют средний размер частиц и их и счетную концентрацию. Недостатком способа является отсутствие возможности измерения скоростей аэрозольных частиц.

Общими недостатками всех выше упомянутых способов и устройств на их основе являются достаточно сложная и дорогая конструкция оптических систем, измерение только одного-двух параметров капель в потоке аэрозоля и вследствие этого невозможность или ограниченность их применения в полевых условиях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, описанный в патенте «Способ определения размера капель в аэрозоле» (патент RU 2569926 С1), сущность которого заключается в том, что аэрозольный поток капель жидкости направляется в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера. Подсвеченные лазером пролетающие капли регистрируются видеосистемой микроскопа в виде отдельных непрерывных линий-треков. Размер капель оценивается по ширине треков с учетом калибровки увеличения микроскопа.

Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем:

а) устройство на основе данного способа не позволяет измерять скорости капель в потоках газа;

б) устройство на основе данного способа не позволяет измерять концентрацию капель в потоке;

в) изображения треков имеют на границе постепенный спад интенсивности, что вносит определенную погрешность в определении размеров капель.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является совершенствование методик, направленных на повышение эффективности измерений характеристик нестационарных аэрозольных потоков.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность одновременного определения размеров капель, их скоростей и концентрации в аэрозольном потоке, в том числе нестационарном.

Для достижения технического результата предложен способ определения параметров капель в нестационарных аэрозольных потоках, заключающийся в том, что поток аэрозоля направляют в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера, подсвеченные лазером капли регистрируют видеосистемой микроскопа в виде изображения отдельных треков, где ширину трека определяют размером движущейся капли, при этом, излучение маломощного диодного лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме, пропускают через цилиндрическую линзу, которая формирует узкий щелевидный в сечении луч света, аэрозольный поток капель направляют в область фокусировки видеомикроскопа, расположенного под определенным углом к излучению маломощного диодного лазера, изображения фокусных точек капель аэрозоля регистрируются цифровым видеомикроскопом, при этом, каждая капля, попавшая в область детектирования видеомикроскопа детектируется на кадрах видеомикроскопа в виде прерывистого трека из точек, которые соответствуют отдельным импульсам излучения лазера и яркость которых определяется размером движущейся капли, все кадры видеомикроскопа с изображениями треков передают на компьютер на котором при помощи специальной программы обрабатывают параметры прерывистых треков, определяют яркости точек, интервалы между точками для разных треков, количество зарегистрированных треков в единице объема за единицу времени, вычисляют скорости капель, строят соответствующие гистограммы и определяют распределение по размерам и скоростям, концентрацию капель.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема аппаратуры для реализации заявленного способа, где:

1 - полупроводниковый лазер;

2 - цилиндрическая линза;

3 - поток капель аэрозоля;

4 - цифровой видеомикроскоп;

5 - компьютер.

На фиг. 2 приведен пример изображения полученных треков в виде ярких точек от пролетевших капель воды в течение одного кадра видеомикроскопа (1/15 с) и распределение интенсивности точек вдоль одного трека. Расстояние между пиками определяется периодом следования импульсов диодного лазера и скоростью пролетевших частиц.

На фиг. 3 приведен пример полученной гистограммы скоростей капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке общей длительностью около 0,8 с и соответствующее подогнанное логнормальное распределение.

На фиг. 4 приведен пример полученной гистограммы размеров капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке и соответствующее подогнанное логнормальное распределение.

На фиг. 5 показана полученная при обработке числа треков концентрация капель воды в зависимости от времени в нестационарном импульсном аэрозольном потоке длительностью около 0,8 с.

Осуществление изобретения

Сущность предлагаемого способа состоит в регистрации видеомикроскопом изображений фокусных точек пролетающих капель, в которых концентрируется излучение маломощного диодного лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме, и последующем измерении и математической обработки на кадрах видеомикроскопа величины яркости и геометрических параметров прерывистых треков, состоящих из отдельных точек, которые при этом получаются.

При выполнении условий геометрической оптики, т.е. при достаточно больших размерах капель по сравнению с длиной волны, излучение диодного лазера, работающего с малой мощностью в импульсно-периодическом режиме, фокусируется пролетающей каплей, как линзой, в точке фокуса, а цифровым видеомикроскопом регистрируются изображения фокусных точек капель, при этом изображения самих капель не наблюдаются, т.к. интенсивность рассеянного и отраженного света от поверхности капель слишком слабая, и в результате на кадрах видеомикроскопа каждая пролетевшая капля наблюдается в виде прерывистого трека, состоящего из отдельных точек, при этом величина яркости точки на треке определяется излучением, сфокусированным каплей и однозначно зависит от диаметра капли, что позволяет определять размер капель, а интервалы между точками определяются периодом импульсов лазера и скоростью пролетающих капель, при этом с помощью специальной программы на компьютере обрабатывают параметры прерывистых треков, определяют яркости точек, интервалы между точками для разных треков, количество зарегистрированных треков в единице объема за единицу времени, вычисляют скорости капель, строят соответствующие гистограммы и определяют распределение по размерам и скоростям, концентрацию капель.

Предлагаемый способ реализуется с помощью аппаратуры, схема которой показана на фиг. 1, которая включает полупроводниковый лазер 1, цилиндрическую линзу 2, цифровой видеомикроскоп 4. Окончательная обработка данных и визуализация результатов измерений производится с помощью компьютера 5.

Излучение лазера, пройдя через цилиндрическую линзу 2, образует конфигурацию «световой нож». Аэрозольный поток капель 3 направляется в область фокусировки видеомикроскопа 4, расположенного под определенным углом к излучению маломощного полупроводникового лазера 1, работающего в импульсно-периодическом режиме. Фокусные точки капель аэрозоля 3 регистрируются цифровым видеомикроскопом 4. Каждая капля, попавшая в область детектирования видеомикроскопа 4, детектируется на кадрах видеомикроскопа 4 виде прерывистого трека из точек, которые соответствуют отдельным импульсам излучения лазера 1. Все кадры видеомикроскопа 4 с изображениями треков передаются на компьютер 5, где происходит окончательная обработка результатов измерения.

Излучение маломощного полупроводникового лазера 1, работающего в импульсно-периодическом режиме, проходит через цилиндрическую линзу 2, которая формирует световую плоскость, образуя конфигурацию «световой нож», пересечение которой с областью аэрозольного потока 3 и глубиной резко изображаемого пространства видеомикроскопа 4 формирует детектируемый объем нужного размера в аэрозольном потоке 3. Цифровой видеомикроскоп 4, расположенный под определенным углом к световой плоскости, регистрирует капли, пролетающие в области детектируемого объема, только во время импульсов лазера 1 и с определенной частотой следования видеокадров. При достаточно больших размерах капель по сравнению с длиной волны света справедливо приближение геометрической оптики. В этом случае излучение маломощного полупроводникового лазера 1, работающего в импульсно-периодическом режиме, фокусируется каплей, которую можно рассматривать как сферическую линзу, в точке ее фокуса, а цифровой видеомикроскоп 4 регистрирует изображения фокусных точек капель, при этом изображения самих капель на кадрах не наблюдаются, т.к. при малой мощности излучения интенсивность рассеянного и отраженного от поверхности капель света слишком слабая и не детектируется видеомикроскопом 4. На кадрах видеомикроскопа 4 фокус капли отображается в виде точки размером несколько пикселей матрицы. В нашем случае использовался маломощный диодный лазер с мощностью менее 1 мВт, работающий в импульсно-периодическом режиме. При этом на кадрах видеомикроскопа из-за короткой длительности импульсов лазера изображение каждой пролетевшей капли наблюдается в виде прерывистого трека, состоящего из отдельных ярких точек. Величина яркости изображения фокусных точек капель на треках определяется излучением, которое прошло через сечение капли и сфокусировано данной каплей в течение одного импульса лазера и однозначно зависит от размера капли, что позволяет определять диаметры капель. В то же время расстояние между точками в треках определяется периодом следования импульсов лазера и скоростью капель, что позволяет определять скорость каждой пролетевшей капли в аэрозольном потоке.

Определение параметров капель в аэрозольном потоке проводят следующим образом.

Скорости капель определяют для каждого трека зная расстояние между точками в треке, частоту следования импульсов лазера и увеличение микроскопа. На фиг. 2 приведен пример полученных треков в виде ярких точек от пролетевших капель воды в течение одного кадра видеомикроскопа (1/15 с) и распределение яркости точек вдоль одного трека. Расстояние между пиками определяется периодом следования импульсов диодного лазера и скоростью пролетевших частиц. На фиг. 3 приведен пример полученной гистограммы скоростей капель воды в импульсном аэрозольном потоке.

Размер капель оценивается по величине яркости точек на треках в видеокадрах на основе предварительно проведенной калибровки величины яркости точек в зависимости от размера капель. Затем строятся соответствующие гистограммы. Видеомикроскоп предварительно калибруется по яркости изображений точек на калибровочных аэрозолях с известным распределением размеров капель. На фиг. 4 приведен пример полученной гистограммы размера капель воды в нестационарном импульсном аэрозольном потоке.

Концентрация капель в аэрозольном потоке определяется по известным геометрическим размерам области детектирования, скорости и числу пролетевших капель, времени экспозиции одного кадра. Концентрацию капель К в аэрозольном потоке определяют согласно выражению:

где: N - число капель, пролетевших через область детектирования за время одного кадра, которое равно числу треков на кадре; t - длительность одного кадра; ν - скорость потока; S - площадь области детектирования.

Конкретный пример реализации предложенного способа.

В аппаратуре (фиг. 1) был использован дешевый маломощный красный диодный лазер с мощностью около 0,7 мВт, работающий в импульсно-периодическом режиме с периодом следования импульсов 70 мкс и длительностью импульса 10 мкс.Регистрация треков пролетевших капель производилась цифровым USB видеомикроскопом Miview MV200UM, соединенным с компьютером со специальной созданной программой для обработки данных.

Пример полученных треков в виде изображения ярких точек от пролетевших капель воды в течение одного кадра видеомикроскопа (1/15 с) приведен для экспериментального импульсного аэрозольного потока на фиг. 2 вместе с распределением яркости точек вдоль одного трека. Расстояние между пиками определяется периодом следования импульсов диодного лазера и скоростью пролетевших частиц. Скорость капель v вычислялась специальной программой для каждого трека как:

где: D - расстояние между точками в треке, пересчитанное с учетом увеличения микроскопа в реальное расстояние пролетевшей капли за время между импульсами лазера, t - период импульсов лазера.

На фиг. 3 приведен пример гистограммы числа капель в зависимости от их скорости, полученной для экспериментального нестационарного импульсного аэрозольного потока капель воды и соответствующее подогнанное логнормальное распределение.

На фиг. 4 приведен пример полученной гистограммы размеров капель в экспериментальном нестационарном импульсном аэрозольном потоке капель воды и соответствующее подогнанное логнормальное распределение. Оценка яркости точек производилась специально разработанной программой в открытой программной среде ImageJ. Переход от величины яркости точек на треках к значениям диаметра капель был проведен путем калибровки величины яркости в зависимости от размера капель. Калибровку осуществляли путем измерений величины яркости точек для аэрозолей с известным размером капель, построения соответствующей калибровочной гистограммы и сопоставления параметров калибровочного и экспериментального распределений по размерам.

На фиг. 5 приведен пример полученной численной концентрации капель воды (в единицах см^-3) в зависимости от времени для экспериментального нестационарного импульсного аэрозольного потока капель воды длительностью 0,8 с. Численная концентрация капель была определена для каждого кадра согласно формуле (1) с учетом следующих параметров: площадь сечения детектируемой области - S=3 мм², средняя скорость капель в потоке v=3 м/с, время экспозиции одного кадра видеомикроскопа - t=1/15 с.

Обработка данных и построение соответствующих гистограмм может производиться как по всем кадрам, так и для каждого кадра видеомикроскопа в отдельности, с помощью специально разработанной подпрограммы на компьютере в программной среде ImageJ, которая определяет яркости точек, интервалы между точками для разных треков, количество зарегистрированных треков в единице объема за единицу времени, вычисляет скорости капель, строит соответствующие гистограммы по размерам и скоростям, вычисляет концентрацию капель. По полученным гистограммам скоростей и размеров частиц можно также определить соответствующие функции распределения.

К достоинствам предложенного способа можно отнести одновременное измерение этих параметров, отсутствие возмущающего влияния измерений на поток, простоту и дешевизну используемого оборудования.

Claims (1)

1. Способ определения параметров капель в нестационарных аэрозольных потоках, заключающийся в том, что поток аэрозоля направляют в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера, подсвеченные лазером капли регистрируют видеосистемой микроскопа в виде изображения отдельных треков, где ширину трека определяют размером движущейся капли, отличающийся тем, что излучение маломощного диодного лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме, пропускают через цилиндрическую линзу, которая формирует узкий щелевидный в сечении луч света, аэрозольный поток капель направляют в область фокусировки видеомикроскопа, расположенного под определенным углом к излучению маломощного диодного лазера, изображения фокусных точек капель аэрозоля регистрируются цифровым видеомикроскопом, при этом каждая капля, попавшая в область детектирования видеомикроскопа, детектируется на кадрах видеомикроскопа в виде прерывистого трека из точек, которые соответствуют отдельным импульсам излучения лазера и яркость которых определяется размером движущейся капли, все кадры видеомикроскопа с изображениями треков передают на компьютер, на котором при помощи специальной программы обрабатывают параметры прерывистых треков, определяют яркости точек, интервалы между точками для разных треков, количество зарегистрированных треков в единице объема за единицу времени, вычисляют скорости капель, строят соответствующие гистограммы и определяют распределение по размерам и скоростям, концентрацию капель.