CC BY
16УДК 681.7.08
ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНОГО ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
А.А. Жирнов, Э.А. Мецлер, С.С. Титов, А.А. Павленко, О.Б. Кудряшова
В задачах дистанционного бесконтактного определения дисперсных характеристик аэрозолей важно знать границы применимости закона Бугера-Ламберта-Бера в приложениях, где в качестве приёмника излучения используется спектрометр. Такие данные в паспортных характеристиках отсутствуют. Для получения этих характеристик проведена серия экспериментов. В результате получена область параметров, в которой приёмная матрица спектрометра имеет линейную зависимость выходного сигнала для разных длин волн от оптической толщины исследуемой среды.
Ключевые слова: размер частиц, спектрометр, линейность, оптическая толщина, закон Бугера-Ламберта-Бера, концентрация частиц, светофильтр.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка бесконтактных методов определения дисперсных характеристик сред является актуальной темой. Такие методы позволяют определять концентрацию частиц, функцию распределения частиц по размерам, не внося искажения в исследуемую среду. С помощью бесконтактных методов можно изучать эволюцию дисперсных потоков, в том числе, в агрессивных средах, потому что при проведении измерений не требуется присутствия оператора. Бесконтактные оптические методы измерений работают с высоким временным разрешением, что позволяет регистрировать характеристики дисперсных сред в быстропротекающих процессах их генерации и эволюции [1].
В настоящее время разработан турби-диметрический высокоселективный метод (ТИПАС) и установка на его основе для определения дисперсных характеристик аэрозолей и суспензий [2] в диапазоне от 30 нм до 6 мкм. Источником оптического излучения с широким спектральным диапазоном служит галогенная лампа накаливания КГМ 9-70. Излучение коллимируется оптической системой, проходит через дисперсную среду и направляется в приёмник излучения,рисунок 1.
Исследуемой дисперсной средой может быть, как аэрозоль, так и эмульсия или суспензия в кювете, причём кювета обычно используется из кварца, чтобы была возможность регистрации ультрафиолетовой области спектра источника. В качестве приёмника излучения используется спектрометр S125-2048/14 производства фирмы «Solar TII», который позволяет регистрировать спектр оптического излучения в диапазоне длин волн от 352,7 нм до 1105,5 нм.
1 - сферическое зеркало; 2 -галогенная лампа; 3 - система линз; 4 - диафрагмы; 5 - светозащитный тубус; 6 - световод; 7 - исследуемая среда; 8 - приёмник излучения
Рисунок 1 - Принципиальная схема установки ТИПАС-1
Для уменьшения погрешности расчёта дисперсных характеристик сред, требуется определить границу применимости закона ослабления интенсивности излучения в дисперсной среде, которая соответствует выполнимости закона Бугера-Ламберта-Бера при различных условиях проведения эксперимента, т.е. изменение концентрации частиц дисперсной среды, и длины волны зондирующего излучения.
Цель данной работы заключается в определении длин волн спектрометра, при которых оптическая толщина имеет линейную зависимость от концентрации частиц дисперсной среды. Это позволит в дальнейшем проводить расчеты дисперсных характеристик на измерительной установке для исследуемых веществ в рамках установленных длин волн.
Проверка осуществляется двумя методами:
1. с использованием двух светофильтров [3];
2. последовательным уменьшением оптической толщины (разбавление исследуемого образца) со снятием спектров [4].
В данной работе методы исследования, предназначенные для проверки фотоприемников распространены на проверку матрицы спектрометра, которая состоит из 2048x14 фотоприёмников.
Коэффициент спектральной чувствительности матрицы спектрометра принимает различные значения в спектральном рабочем диапазоне. Он достигает минимального значения в начале и конце этого рабочего спектрального диапазона, что приводит к большому значению отношения шум/полезный сигнал, то есть к большой погрешности измерения в этих областях. Работа позволит произвести выбор оптимального диапазона длин волн для определения ослабления оптического излучения, прошедшего через дисперсную среду.
Определение оптимального диапазона длин волны проводится с использованием двух нейтральных светофильтров, которые были выбраны таким образом, чтобы при прохождении излучения через оба фильтра регистрировался полезный сигнал.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Первым методом осуществлялось определение оптимального диапазона длин волн, в котором отношение шум/полезный сигнал удовлетворяет заданным требованиям эксперимента проводилась для спектрального диапазона чувствительности матрицы спектрометр с использованием следующей методики. В соответствии с методикой проведения измерения со светофильтрами требуется измерить спектр без светофильтров: /0(Л), затем спектр /1(Л), - с первым светофильтром, /2(Л), - со вторым светофильтром, /3(Л), - с двумя светофильтрами (первым и вторым совместно). В качестве светофильтров были выбраны фильтры марок НС-1 и НС-6 [5], так как они обеспечивают достаточное ослабление интенсивности оптического излучения. На рисунке 2 представлены результаты регистрации спектров оптического излучения с использованием светофильтров и без них.
На следующем этапе рассчитывается
Интенсивность, отсчёты АЦП
коэффициент а =
10* 13 11* 12
для всех длин волн
спектрального диапазона. Стремление коэффициента X к 1 обеспечивает допустимое значение сигнал/ шум. Для проведения экспериментов допустимый уровень шумов составляет менее 5 %. В результате расчёта получилась зависимость коэффициента а(Л,), представленная на рисунке 3.
50000
40000
30000
20000
10000
\
JT/г(НС1) 0
^ /2 (НС6) VV А
NV \\
1з (НС1+НС6)Л^ яД
340
540
74 0 940
Длина волны, нм
/0(Л) - спектр без светофильтров; /1(Л) - спектр со светофильтром НС-1; /2(Л) - спектр со светофильтром НС-6; /3(Л) - спектр с двумя светофильтрами НС-1 и НС-6
Рисунок 2 - Зависимости интенсивности от длины волны спектрометра
Рисунок 3 - Зависимость а от длины волны
Из анализа зависимости а(Л) (рисунок 3) видно, что, для матрицы спектрометра коэффициент |а(Л|)| < 0,05 в диапазоне длин волн 500,0-1030,0 нм. Таким образом, проверка матрицы спектрометра с использованием светофильтров НС-1, НС-6 позволила определить рабочий диапазон длин волн, в котором отношение сигнал/шум удовлетворяют заданному значению 5 %.
Вторым методом осуществляется проверка выполнения закона Бугера-Ламберта-Бера. Для этого были получены экспериментальные зависимости для выбранного диапазона длин волн 500,0-1030,0 нм где ослабления излучения дисперсной средой соответствует закону ослабления Бугера-Ламберта-Бера. Это позволит в дальнейшем определять минимальную и максимальную оптическую толщину среды, при которых возможно
ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНОГО ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
определение дисперсных характеристик среды турбидиметрическим методом.
Преимуществом данной оценки является то, что при использовании этой измерительной системы нет необходимости знать исходную концентрацию частиц в исследуемом образце, важно лишь, чтобы оптическая толщина, создаваемая исследуемым образцом, удовлетворяла допустимому диапазону.
Экспериментальные исследования проводилось в соответствии с методикой, изложенной в работе [4]. Излучение лампы обратной волны с использованием оптической системы коллимируется и направляется в кювету с рассеивающей средой. Ослабленное дисперсной средой оптическое излучение регистрируется спектрометром. Суть эксперимента заключается в регистрации ослабления оптического излучения в зависимости от концентрации частиц раствора. Пропускание рассеивающей среды определяется, как отношение интенсивности прошедшего излучения I к падающему 10, тогда спектральный коэффициент пропускания будет определяться отношением (1).
I (А)
ПА)=М (1)
Ослабление света рассеивающей средой определяет закон Бугера-Ламберта-Бера:
Т = е "т, (2)
где т = к • I - оптическая толщина рассеивающей среды, к - показатель поглощения, I - оптическая длина пути.
Для удобства представ им выражение (2) в логарифмическом виде:
Таблица 1 - Концентрации использованных растворов молока
1п
= т,
(3)
Номер образца Концентрация, отн.ед.
1 1
2 0,5
3 0,25
4 0,125
5 0,0625
6 0,03125
7 0,015625
8 0,007812
9 0,003906
10 0,001953
11 0,000976
12 0,000488
13 0,000244
14 0,000122
15 0,000061
16 0,000030
17 0,000015
18 0,000007
19 0,000003
20 0,000001
Оптическая толщина
2.4
1,9
1,4
0.9
в соответствии, с которым будем проводить вычисления.
В качестве рассеивающей среды будем использовать водный раствор молока, который можно рассматривать как взвесь сферических частиц. Для того чтобы построить более информативную зависимость оптической толщины от концентрации частиц в выбранном диапазоне длин волн было проведено измерение ослабления оптического излучения для разных концентраций раствора молока (концентрации раствора молока в образцах приведены в таблице 1). На рисунке 4 представлены зависимости для двух длин волн. Эти длины волн соответствуют начальной и конечной длинам волн оптимального диапазона.
0.4
-0.1
--- ^ —
1 .
♦—
/ 2
6 11 16 21 меныие<-КОНЦЕНТРАЦИЯ->больше
1 - длина волны 500,0 нм;
2 - длина волны 1030,0 нм.
Рисунок 4 - Зависимости оптической толщины от концентрации частиц раствора молока
Зависимость 1 на рисунке 4 (длина волны 500,0 нм) показывает, что линейная зависимость измеряемой оптической толщины от концентрации эмульсии находится в диапазоне оптических толщин от 0,4 до 1,6. Для зависимости 2 (длина волны 1030,0 нм) от 0,4 до 2,2. Исходя из этого, можно сделать вывод
об общей области оптической толщины для указанных длин волн, которая располагается от 0,4 до 1,6.
ВЫВОДЫ
В результате экспериментальных исследований установлено, что в диапазоне оптических толщин исследуемой дисперсной среды от 0,4 до 1,6 осуществляется выполнимость закона Бугера-Ламберта-Бера, при этом в диапазоне длин волн регистрируемых спектрометром от 500,0 нм до 1030,0 нм отношение сигнал/шум не превышает 5 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архипов, В. А. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде : учебное пособие / В. А. Архипов, А. С. Усанина. - Томск : Издательский Дом Томского государственного университета, 2014. - 252 с.
2. Титов, С. С. Турбидиметрический высокоселективный метод и быстродействующий измерительный комплекс определения параметров нестационарных многофазных сред : дис. ... канд. техн. наук : 01.04.01 : защищена 08.12.2011 / Титов Сергей Сергеевич. - Бийск, 2011. - 153 с.
3. Загоруйко, А. С. Проверка линейности и построение характеристик фотодетекторов при помощи светофильтров с неизвестным пропусканием / А. С. Загоруйко, Ю. В. Троицкий // Автометрия. - 1982. - № 2. - С. 93-95.
4. Зуев, В. Е. Оптика атмосферного аэрозоля / В. Е. Зуев, М. В. Кабанов. - Ленинград : Гидроме-теоиздат, 1987. - 255 с.
5. ГОСТ 9411-91 Стекло оптическое цветное. Технические условия. - Взамен ГОСТ 9411-81 ; введ. 01.01.93. - М. : Изд-во стандартов, 1992. - 49 с.
Жирнов Анатолий Алексеевич, младший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Россий-
ской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), Россия, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, тел.: 8 (3854) 30-58-47, e-mail: toluol_88@mail.ru.
Мецлер Эдуард Андреевич, младший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), Россия, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, тел.: 8 (3854) 30-58-47, е-mail: mezlered@mail.ru.
Титов Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, ученый секретарь Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии на-ук(ИПХЭТ СО РАН), Россия, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, тел.: 8 (3854) 30-17-25, е-mail: titov@ipcet.ru.
Павленко Анатолий Александрович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), Россия, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, тел.: 8 (3854) 30-14-43, е-mail: pavlenko@ipcet.ru.
Кудряшова Ольга Борисовна, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), e-mail: olga-kudr@inbox.ru.
