Введение к работе
Актуальность проблемы. Аэрозоли — один из важнейших компонентов окружающей среды, который оказывает большое влияние на различные ризические процессы, происходящие в атмосфере. В частности, с ними зязавы загрязнение воздушной массы и перенос радиоактивности. Велика эоль аэрозоля в формировании климатических изменений Земли.
В связи с нарастающим антропогенным загрязнением атмосферы осо— Зую актуальность приобретает мониторинг экологических последствий этого іроцесса и дішамика климатических условий за счет содержания аэрозолей і атмосфере и изменения ее газового состава, для реализации которого зеобходимо создание комплекса специализированных датчиков. С другой ггороны, широкое развитие во всех отраслях народного хозяйства тех— юлсгий, в которых вещество применяется в аэродксперсной фазе, и рас -иирение спектра физических свойств аэрозолей обуславливают необходимость создания приборов, определяющих характеристики аэрозолей — :пектр размеров частиц и их концентрацию — с жесткими требованиями к «етрологическим характеристикам.
Развитие аэрозольной спектрометрии показывает, что по надежности >езультатов измерения и оперативности получения информации преиму— цество остается за фотоэлектрическими методами, основанными на не — іользовании светорассеивающих (светопоглощающих) свойств отдельных ізрозольньїх частиц. На этом принципе работают фотоэлектрические счет — гики (спектрометры) частиц аэрозоля (ФЭС). Создание ФЭС с повы— иенными точностными характеристиками является актуальной проблемой, ид которой работает ряд спеяиализнрованных фирм США, Японии и ФРГ. І России и странах СНГ до настоящего времени существует единственная [ромышленная разработка прибора (г.Выборг), известная под маркой АЗ-3 4,5,6), предназначенная для решения задач контроля запыленности поме —
їдений в интересах промсанигарии. Известны результативные разработки таких организаций как НПО "Тайфун" (т.Обнинск), НПО ЛИПО (г.Казань), ИХ и КГ (г.Новосибирск), ИОА СО РАН (г.Томск), в стенах которых были созданы на уровне опытных образцов ФЭС различных модификации и назначений. Вместе с тем, следует отметить, что в литературе, посвященной технике анализа аэродисперсных систем, отсутствует комплексный анализ как возможностей, так и ограничений перспективных вариантов построения оптических систем ФЭС с позиции достижения рекламируемых метрологических характеристик.
Целью диссертационной работы — на базе основных положений физической оптики получить соотношения, определяющие влияние отдельных элементов оптических систем ФЭС на интенсивность сигнала рассеяния частицы. На этой основе оценить точностные характеристики как серийных, так и новых типов приборов, выработать рекомендации и ограничения для разработчиков оптических систем ФЭС и разработать новый принцип построения СО ФЭС, улучшающий точностные характеристики приборов для частиц любой природы.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ вклада отдельных составляющих оптических схем амплитудных ФЭС в изменение светового потока рассеяния. Д>\я приборов этого типа получены соотношения, позволяющие оценить влияние на точность измерений параметров оптических систем (таких как входная и выходная апертуры, неоднородность освещенности СО, усреднение индикатрисы рассеяния, монохроматичность излучения и т.п., а также последствия разьюстировки). Определены пути усовершенствования метрологических характеристик амплитудных ФЭС. Изучены точностные характеристики фотоэлектрических нндикатрисометров, как приборов, расширяющих возможности применения технологии построения ФЭС.
Расчиганы пределы применимости и метрологические возможности
этических схем методов моноцветных и полицветных полос различной аирины.
Предложен новый принцип построения структуры светового ПОЛЯ в Ю (метод полицветных эквидистантных полос), свободный от многих не — остатков известных приборов.
Практическая ценность представленной работы заключается в деталь— ом комплексном анализе основных методов построения оптических систем >ЭС и источников присущих им ошибок измерений. Разработанный новый ринцип построения СО ФЭС позволяет измерять -частицы с размерами >. .32 мкм и концентрацией до 5'105см—3 и малой зависимостью результатов т комплексного показателя преломления.
Проведенный расчет и анализ метрологических характеристик "ам — литудных" и нового методов позволяет для конкретной задачи исследо— ания выбрать оптимальный принцип построения СО.
В работе приведены и аргументировали практические рекомендации по ыбору параметров оптических схем приборов.
Проведены анализ и оценка пределов применимости и метрологических озможностей оптических систем "полосатых" методов измерения пара— етров аэрозоля.
Основные положения, выносимые на защиту; . Комплексный анализ оптических схем амплитудных ФЭС показал, что т ряда рассмотренных приборов относительное изменение потока ассеяния, обусловленное коне-чпыми размерами входной и выходной иертуры оптической системы <.0.25, неравномерностью освещенности О й 0.35, молекулярным рассеянием в СО <, 0.135 и т.д., что не озволяет измерять частицы менее 0.32 мкм.
, Анализ возможных оптических схем реализации методов моноцветных пслицветных полос различной ширины позволил определить их метро— >гические возможности: минимально измеряемый диаметр частиц 50
*
мкм—в первом случае и 5 мкм—во втором, максимально измеряемая концентрация частиц (с ошибкой одновременного попадания в СО двух и более частиц 510%) 103 см-3 и 3-Ю5 см-3, соответственно. 3. Новый метод измерения параметров аэрозоля—метод палицветных эквидистантных полос, основным достоинством которого является незначительная зависимость измерений от природы частиц, что позволяет измерять частицы с диаметром более 0.32 мкм и концентрациями порядка 5-Ю5 см-3, причем учет выработанных технологических рекомендаций к формированию светового поля в СО позволяет снизить ошибку в изме — рении глубины модуляции сигнала рассеяния до 10% и менее.
Апробёпия работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях; на II Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (г.Новосибирск, 1993), на XII Межреспубликанском Симпозиуме по распространению лазерного излучения (г Томск, 1993), на I Всероснйском Симпозиуме "Оптика атмосферы и океана (г. Томск, 1994), на Международном конгрессе "Развитие мониторинга і оздоровлеіше окружающей среды" (г. Казань, 1994), на конференцій Казанского Государственного Технического Университета "50—летие НИ1 КГТУ (г. Казань, 1984).
Ду&ившща. Основное содержание диссертации отражено в 10 научных публикациях и одной заявке.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре: глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной объем работы составляет 151 страницу, включая 11 таблиц, 32 рисунка и списа литературы из 121 наименования.
