SU1684631A1

SU1684631A1 - Nephelometer for measuring indicatrix of diffusion of aerosols

Info

Publication number: SU1684631A1
Application number: SU884398222A
Authority: SU
Inventors: Виктор Алексеевич Сандимиров
Original assignee: Предприятие П/Я А-7309
Priority date: 1988-02-03
Filing date: 1988-02-03
Publication date: 1991-10-15

Abstract

Изобретение относит с технике определени характеристик рзрозолей оптическими методами и может быть использовано в метеорологии. Цель изобретени уменьшение энергопотреблени ,габаритов имьс сы путем сокращени числг источников излучени и увеличение чувствительности путем формировани зондирующих пучков с разной расходимостью и разной спектральной шириной. Нефелометр содержит зондирующий блок, приемное устройство, механизм вращени , датчик угпового положени и последовательно соединенные с датчиком блоки программировани и управлени Зондирующий блок состоит из источника излучени и расположенных вокруг него зеркал и конденсоров так. чго оптические си конденсоров параллельны и лежат в плоскости измерени индикатрисы рассе ни . Каждый конденсор снабжен затвором, соединенным с блоком управлени и попо- совым :вегпфилы ом Нефелометр обеспе- чивает псл/ченио нескг.иьких зондирующих пучков от одного источника излучени и одновременное фгрМИрОГ с5Н.4 } ЗОНДИРУЮЩИХ пучкоч с разной олсхо ту гостью и разной спектральной шириной. При этим чем больше рассто ние 0( приемного v;тро ства до зондирующего пучкз тем больше ею расходимость и спектральна ширина При измерении индикатрисы дл ртзных углов рассе ни включаютс разные зондирующие пучки. Включение и выключение пуч КОР производитс с помощью блока программировани , блока управлени и затворов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. ЁThe invention relates to optical characterization of rzrozols and can be used in meteorology. The purpose of the invention is to reduce power consumption, size by reducing the number of radiation sources and increasing sensitivity by forming probe beams with different divergence and different spectral width. The nephelometer contains a probing unit, a receiving device, a rotation mechanism, an UGP position sensor, and programming and control units connected in series with the sensor. The probing unit consists of a radiation source and mirrors and condensers located around it. The optical capacitors of the condensers are parallel and lie in the measurement plane of the scattering indicatrix. Each condenser is equipped with a shutter connected to the control unit and a reposting device: the veins are equipped with a turfometer. . In this case, the greater the distance 0 (the receiver v; the distance to the probe beam, the greater the divergence and spectral width. When measuring the indicatrix for the diffraction scattering angles, different probe beams are switched on and off. The COR core is switched on and off by means of a programming unit, a control unit and gates. 1 Cp f-crystals, 1 ill. E

Description

Изобретение относитс к технике определени параметров аэрозолей оптическими методами и может быть использовано в метеорологии дл исследовани атмосферных аэрозолей.The invention relates to the technique of determining the parameters of aerosols by optical methods and can be used in meteorology for the study of atmospheric aerosols.

Целью изобретени вл етс снижение энергопотреблени , габаритов и массы путем сокращени числа источников излучени и увеличение чувствительности за счет расширени спектральной полосы зондирующих пучков, предназначенных дл измерени рассе ни в области углов, дл которыхThe aim of the invention is to reduce power consumption, size and mass by reducing the number of radiation sources and increasing sensitivity by expanding the spectral band of the probe beams, intended to measure the scatter in the range of angles for which

интенсивность расселни мала, и за счет использовани пучков с разной расходимостью .the intensity of the settlement is small, and due to the use of beams with different divergences.

На чертеже представлена блок-схема нефелометра дл измерени индикатрисы рассе ни аэрозролей.The drawing shows a block diagram of a nephelometer for measuring the indicatrix of aerosrole dispersion.

Нефелометр с четырьм зондирующими пучками состоит из зондирующего блока 1 и приемного устройства 2, оптически сопр женных между собой через рассеивающий объем. Блок 1 состоит из источника 3 излучени , зеркал 4 и конденсаторов 5 располоOs 00The four probe beam nephelometer consists of a probe unit 1 and a receiving device 2, optically conjugated to each other through a scattering volume. Unit 1 consists of a radiation source 3, mirrors 4 and capacitors 5 located oOs 00

4four

ON СОON CO

кринмх вокруг источника 3 излучени так, что оптические оси конденсоров 5 параллельны и лежат в плоскости измерени ин- дикдтрисы рассе н ч Каждый из конденсоров 5 снабжен лотосовым светофильтром 6 и затвором 7. В состав нефелометра вход т также блок 8 питани , механизм 9 вращени приемного устройства , датчик 10 у1лового положени приемного устройства и последовательно соединенные с датчиком блок 11 программировани и блок 12 управлени , к выходам которого подключены затворы 7 Блок 8 питани осуществл ет питание источника 3.around the radiation source 3 so that the optical axes of the condensers 5 are parallel and lie in the measurement plane of the diffraction indices. Each of the condensers 5 is equipped with a lotus filter 6 and a shutter 7. The nephelometer also includes a power receiving unit the device, the sensor 10 U1 of the receiving device position and the programming unit 11 connected in series with the sensor and the control unit 12 with the gates 7 connected to the outputs. The power supply unit 8 supplies the power to source 3.

В качестве источника 3 излучени может использоватьс галогенна лампа КГМ12-100. Тело свечени лампы представл ет собой плоскую спираль с размерами 4x2 мм и толщиной 1 мм. В этом случае лампа 3 ориентирована так, что плоскость спирали расположена перпендикул рно оптическим ос м конденсоров 5. Размер спирали (4 мм) определ ет расходимость зондирующих пучков в плоскости измерени индикатрисы рассе ни . Расходимость зондирующих пучков выбираетс , исход из предполагаемого хода индикатрис рассе ни . Дл известной индикатрисы рассе ни (полидисперсные водные облака) в диапазоне углов рассе ни 2-5° интенсивность рассе ни измен етс в 100-300 раз, поэтому дл этих углов расходимость зондирующего пучка 13 выбрана равной 17 (в плоскости измерени индикатрисы), чему соответствует фокусное рассто ние 200 мм и размер теле свечени 1 мм. Дл углов 80-130° интенсивность рассе ни в 10 раз меньше и почти не зависит от угла, поэтому дл пучка 14 расходимость выбрана равной 11 °20 , чему соответствует фокусное рассто ние 20 мм при размере тела свечени 4 мм. Расходимости пучков 15 и 16 выбраны 52 и 3° (фокусы 65 и 75 мм. размеры тела свечени 1 и 4 мм) Таким образом, по мере увеличени рассто ни от приёмного устройства 2 до оп ческой оси конденсора 5 расходимость зондирующего пучка увеличиваетс , соответственно увеличиваетс мощность пучка.A halogen lamp KGM12-100 can be used as the source of radiation 3. The body of the lamp is a flat spiral with dimensions of 4x2 mm and a thickness of 1 mm. In this case, lamp 3 is oriented so that the helix plane is located perpendicular to the optical axis of the condensers 5. The helix size (4 mm) determines the divergence of the probe beams in the scattering indicatrix measurement plane. The divergence of the probe beams is chosen based on the expected course of the scattering indicatrices. For the known scattering indicatrix (polydisperse water clouds) in the scattering angle range 2-5 °, the scattering intensity varies 100-300 times, therefore for these angles the divergence of the probe beam 13 is chosen 17 (in the indicatrix measurement plane), which corresponds to The focal length is 200 mm and the body size is 1 mm. For angles of 80–130 °, the scattering intensity is 10 times less and almost does not depend on the angle; therefore, for beam 14, the divergence was chosen to be 11 ° 20, which corresponds to a focal distance of 20 mm with a glow body size of 4 mm. The divergences of the beams 15 and 16 were selected 52 and 3 ° (foci 65 and 75 mm. Dimensions of the luminescence body 1 and 4 mm). Thus, as the distance from the receiving device 2 increases to the optical axis of the condenser 5, the divergence of the probe beam increases, respectively. beam power.

Зеркала 4 расположены вокруг источника 3 излучени так, чтобы они не экранировали световые пучки конденсоров 5, те. обеспечивали максимальный угол охвата источника 3 излучени при выбранных фо кусных рассто ни х конденсоров 5The mirrors 4 are located around the radiation source 3 so that they do not shield the light beams of the condensers 5, those. provided the maximum coverage angle of the radiation source 3 at selected focal lengths of the condensers 5

Полосовые светофильтры 6 определ ют спектральную ширину изпучрнин зондирую щего пучка Ширина полосы пропускани спетойильтрое /в личипа и i чо мере УРРThe band-pass light filters 6 determine the spectral width of the imbalances of the probe beam. The bandwidth of the spectrometer / in the lichip and i is the least of the URR.

личени рассто ни от приемною устройства 2 до оптической оси конденсора (зонди- рую цего пучка) Спектральна ширина зондирующего пучка 13 равна 10 им, пучкаdistance from the receiving device 2 to the optical axis of the condenser (probing beam). The spectral width of the probe beam 13 is 10, the beam width

15 20 нм, пучка 16 50 им и пучка 14 100 нм. Пропорционально ширине пучка измен етс мощность зондирующего пучка. Сэедн длина волны пропускани всех полосовых светофильтров 6 одинакова и15 20 nm, a beam of 16 50 them and a beam of 14 100 nm. The power of the probe beam varies in proportion to the beam width. Seedn transmission wavelength of all band-pass filters 6 is the same and

0 определ етс фотоприемником и распределением мощности излучени источника по спектру. В случае использовани фотоумножител с мультищелочным фотокэто- дом средн длина волны равна 600 нм.0 is determined by the photoreceiver and the distribution of the radiation power of the source across the spectrum. In the case of using a photomultiplier with a multi-alkaline photocathode, the average wavelength is 600 nm.

5Нефелометр работает следующим образом .5Nefelometer works as follows.

Датчик 10 углового положени при вращении приемного устройства 2 механизмом 9 вращени вырабатывает угловые метки.The angular position sensor 10, when the receiving device 2 rotates by the rotation mechanism 9, generates angular marks.

0 поступающие в блок 11 программировани , где метки считываютс и определ етс угловое положение приемного устройства 2 В соответствии с программой, заложенной в блок 11 программировани , в зависимости0 entering the programming unit 11, where the tags are read and the angular position of the receiving device 2 is determined. In accordance with the program embedded in the programming unit 11, depending

5 от угла поворота приемного устройства 7. в лючаютс и выключаютс зондирующие пучки с помощью блока 12 управлени и затворов 7 Дл малых углов рассе ни , где интенсивность рассе ни сильно зависит от5 from the angle of rotation of the receiving device 7. The probe beams are switched on and off using the control unit 12 and the gates 7 For small scattering angles, where the scattering intensity strongly depends on

0 угла, включаетс зондирующий пучок 13, имеющий минимальную расходимость. Минимальна расходимость излучени позво- лчет увеличить точность измерени индикатрисы, так как на малых углах рас5 се ни рассеивающий объем имеет максимальную величину и интенсивность рассе ни велика При этом уменьшение мощности зондирующего пучка вследствие уменьшени расходимости излучени не0 angle, the probe beam 13 having the minimum divergence is turned on. The minimum divergence of the radiation will allow an increase in the accuracy of the measurement of the indicatrix, since at small angles of scattering the scattering volume has a maximum value and the intensity of the scattering is large. At the same time, the decrease in the power of the probe beam due to the decrease in the divergence of the radiation

С у удшает чувствительности нефелометра в целом. При увеличении угла рассе ни рассеивающий объем уменьшаетс , интенсивность рассе ни также уменьшаетс , одновременно становитс менее сильнойThe sensitivity of the nephelometer as a whole is improved. As the scattering angle increases, the scattering volume decreases, the scattering intensity also decreases, and at the same time it becomes less strong.

5 зависимость интенсивности рассе ни от у|ла. Поэтому, чтобы компенсировать уменьшение сигнала, включаетс зондирующий пучок 15 с большей расходимостью, большей спектральной полосой и, следова0 тельно, большей мощностью. При этом уве- пичиваетс также и рассеивающий объем Т.зким образом, последовательно включа кнс и затем выключаютс все четыре зондирующих пучка Угла, на которых пучки включаютс или выключаютс , завис т от5 the dependence of the intensity of the scattering from y | la. Therefore, in order to compensate for the reduction of the signal, the probe beam 15 is switched on with a larger divergence, a larger spectral band and, therefore, more power. At the same time, the scattering volume is also increased. Thus, sequentially turning on the kns and then turning off all four probe beams of the Angle, on which the beams are turned on or off, depend on

5 предполагаемой индикатрисы рассе ни из мер емых аэрозолей. Программиру блок 1 программировани можно оптимизм pi сзгь чувствительность нефелометра дл о jHfctv типоватрозолеи5 of the estimated indicatrix of the dispersion of measured aerosols. Programming unit 1 programming can be optimistic pi szg sensitivity of the nephelometer for jHfctv types of croppies

Индикатрисы рассе ни аэрозолей завис т от длины волны зондирующего излучени , поэтому каждый конденсор снабжен полосовым светофильтром, выдел ющим из сплошного спектра лампы спек- тральную полосу требуемой ширины. Известно, что рассе ние на малых углах сильнее зависит от длины волны зондирующего излучени , а на углах около 90° эта зависимость слабее, Это обсто тельство по- звол ет еще больше увеличить чувствительность нефелометра дл углов рассе ни около 90°, использу полосовые светофильтры с разной спектральной шириной (при этом средн длина волны светофильтров одинакова). При увеличении рассто ни от приемного устройства до зондирующего пучка полоса пропускани соответствующего светофильтра увеличиваетс и соответственно увеличиваетс мощность пучка, при этом увеличиваетс рассе нный аэрозолем поток, попадающий в приемное устройство.The indicatrices of aerosol dispersion depend on the wavelength of the probing radiation, therefore, each condenser is equipped with a band-pass filter that separates the spectral band of the required width from the continuous spectrum of the lamp. It is known that scattering at small angles is more dependent on the wavelength of the probing radiation, and at angles of about 90 ° this dependence is weaker. This circumstance allows us to further increase the sensitivity of the nephelometer for angles of scattering of about 90 °, using bandpass filters with different spectral width (at the same time the average wavelength of light filters is the same). As the distance from the receiver to the probe beam increases, the passband of the corresponding light filter increases and the beam power increases accordingly, and the flux dispersed by the aerosol stream entering the receiver increases.

За счет сокращени числа источников излучени и блоков питани в нефелометре уменьшаютс энергопотребление, габариты и масса, при этом использование зондирующих пучков с разной расходимостью излучени и разной спектральной шириной позвол ет увеличить чувствительность не- фелометра дл тех углов, где интенсивность рассе ни мала. В качестве источника излучени , излучающего во все стороны, можно использовать лампы накаливани , импульсные лампы, дуговые лампы и т.д.By reducing the number of radiation sources and power supply units in a nephelometer, energy consumption, size and mass are reduced, while the use of probe beams with different radiation divergence and different spectral widths can increase the sensitivity of the nephelometer for those angles where the intensity is scattered. Incandescent lamps, flash lamps, arc lamps, etc. can be used as a source of radiation radiating in all directions.

П р и м е р . В схеме (см. чертеж) использована лампа КГМ12х100 с размером свечени 4x2x1 мм. Фокусные рассто ни конденсоров равны 20; 65; 75 и 200 мм, световые отверсти по 20 мм, при этом расходимость пучков равна 11°20 : 3°; 53 и 17 . Угол охвата измен етс от 53° до 5°43 . Световой поток, излучаемый каждым конденсором , пропорционален произведению S Sin а , где S - площадь тела счечени источника; а- половина угла охвата. Тогда потоки излучени дл пучков в относительных единицах равны 0,005; 0,046; 0,14 и 1,6. Соотношение потоков равно 1:320. При од- повременной работе всех четырех конденсоров суммарный поток р нрм 1.8 отн.ед. Если спектральна ширина пуп-л с фокусом 200 мм равна 10 нм, а о фокусом 20 мм - 10 нм, то тогда соотношение плнно 1:3200, и, при однонр менно . р;1 л.-- псехPRI me R. In the scheme (see drawing), a KGM12x100 lamp with a luminescence size of 4x2x1 mm was used. The focal lengths of the condensers are 20; 65; 75 and 200 mm, light holes of 20 mm each, while the divergence of the beams is 11 ° 20: 3 °; 53 and 17. The coverage angle varies from 53 ° to 5 ° 43. The luminous flux emitted by each condenser is proportional to the product S Sin а, where S is the area of the source section; a - half the angle of coverage. Then the radiation fluxes for the beams in relative units are 0.005; 0.046; 0.14 and 1.6. The ratio of flows is 1: 320. In case of simultaneous operation of all four condensers, the total flow is p LPR 1.8 relative units. If the spectral width of the navel with a focus of 200 mm is 10 nm, and that of a focus of 20 mm is 10 nm, then the ratio is 1: 3200, and, for one-pointed. p; 1 l .-- pseh

конденсоров можно получить соотношение потоков около 1:3400.condensers can get a flow ratio of about 1: 3400.

Такм образом, изобретение позвол ет увеличить чувствительность нефелометра дл углов около 90° в 3400 раз и более (дл достижени такого же эффекта в прототипе потребовалось бы установить 3400 источников излучени с конденсорами и блоками питани , что нереально). Увеличение чувствительности в предлагаемом нефелометре получают при сокращении числа источников излучени и числа блоков питани , при этом увеличен суммарный угол охвата источника излучени , что позвол ет снизить энергоемкость, его габариты и массу.Thus, the invention makes it possible to increase the sensitivity of the nephelometer for angles of about 90 ° to 3400 times or more (to achieve the same effect, in the prototype, it would be necessary to install 3400 radiation sources with condensers and power supply units, which is unrealistic). The increase in sensitivity in the proposed nephelometer is obtained by reducing the number of radiation sources and the number of power supply units, while increasing the total angle of coverage of the radiation source, which reduces power consumption, its dimensions and mass.

Claims

1. A nebulometer for measuring the indicatrix of aerosol dispersion, comprising a probe unit, including a radiation source connected to a power unit, at least two condensers, a receiving device optically coupled to the probe unit through a diffusing volume and kinematically coupled to a sensor the angular position of the receiving device, connected in series with the angular position sensor by the programming unit and the control unit, the outputs of which are connected to the probe unit, different in that, with a view to increasing sensitivity, reducing enerogopotrebleni. dimensions and masses of the nephelometer; the probe unit further comprises n-1, where n is the number of condensers, optical elements that change the direction of the optical axes of the condensers so that all the axes of the condensers lie in the same plane as the scattering indicatrix measuring plane, all the condensers are optically associated with the radiation source, each condenser is provided with a shutter connected to the control unit and a band-pass filter, and the bandwidth of the filters increases monotonically with increasing distance from the receiver triple to the axis of the corresponding condenser, while the average transmission wavelengths of the filters are the same.

2. The nephelometer according to claim 1, so that in order to increase the sensitivity, the angular dimensions of the radiation source in the field of view of each conductor increase monotonically with increasing distance from the receiver to the axis of the corresponding condenser.