CC BY
2Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 57
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 621.375.551
Исследование методов применения лазерного излучения для анализа параметров топлива поршневых двигателей
Картуков А.В., Меркишин Г.В., Репин А.И. ,Сушко С.В.
Задача быстрой и оперативной оценки качества топлива, а также его идентификации весьма актуальна и требует создания методов простой и надёжной технической реализации.
Ключевые слова: анализ атмосферы, лазер, бензин, рефракция, идентификация жидкостей.
Широко известны методы применения лазеров для анализа состава и уровня загрязнения атмосферы[1]. Они основаны на излучении в область анализируемого пространства когерентного излучения и приёме отражённых сигналов, в параметрах которых заключена необходимая информация. Ниже рассматривается использование луча лазера в задаче идентификации и определения характеристик жидкостей по физическим свойствам их паров [2].
Экспериментальная установка содержит следующие элементы: лазер, емкость с отверстиями для прохождения луча, в которую вводится исследуемая жидкость, фотоприемник и микроамперметр, регистрирующий фототок (рис1)
Рис. 1 Блок-схема экспериментальной установки.
В качестве источника излучения выбран гелий-неоновый лазер ЛГН-111 с длинной волны Х=630нм. Луч лазера проходит через емкость с испаряющей жидкостью и попадает на фоточувствительную площадку фотоприемника.
Проводился анализ фототока на основе рефракции луча в парах четырёх жидкостей: бензины АИ-80, АИ-92, АИ-95, этиловый спирт. Из-за разного коэффициента преломления паров, а также разной скорости испарения
зависимости фототока от времени для разных жидкостей отличаются друг от друга и несут необходимую информацию для их идентификации.
В начале эксперимента луч лазера смещается относительно центра фоточувствительной поверхности фотодиода примерно на 50 % его площади, чтобы в процессе рефракции получить относительно большие изменения фототока. После введения в емкость исследуемой жидкости луч смещается, частично «уходит» с фоточувствительной площадки и возвращается в исходное положение после испарения всей жидкости.
Зависимость фототока от времени 1(1) можно считать «портретом» жидкости, отсчёты фототока берутся с интервалом в 20 сек.
С целью уменьшения влияния турбулентности воздуха в помещении в качестве емкости, в которую вводится исследуемая жидкость, использовались трубки различной длины марки Екор1аБ11к РК(рис.2), чтобы жидкость не вытекала, нижняя часть отверстий на торцах трубок герметично закрывается.
Рис.2 Пластиковые трубки, в которые вводилась исследуемая жидкость.
На рис.3-5 приведены экспериментальные зависимости фототока от времени 1(1). Отсчёт времени (1=0) начинался с момента ввода в трубку исследуемой жидкости. Кроме того, оценивалось влияние турбулентности воздуха в помещении.
о
О = 16 мм Ь— 2 мм
й 1 ■Г £
/ Л / Л
V тт
+Н-+
'ТУТ
О 100 200 300 400 500
Рис.3 Портрет жидкостей. Трубка 30 см.Колебательный характер зависимостей 1(1) создается турбулентностью воздуха из-за открытой форточки.
На рис.3 показана зависимость 1(1) для трубки длиной 30 см при открытой форточке, на рис. 4,5 приведены аналогичные зависимости для трубок 20 и 10 см при закрытой форточке. Видно, что даже небольшая турбулентность, которую создает открытая форточка, приводит к колебательному характеру 1(1), что затрудняет идентификацию исследуемых жидкостей.
ío lili "III I —I I I I —г I I I ~i~l II lili II гг lili о
О 50 100 150 200 250 300 350 400
Рис.4 Портрет жидкостей. Трубка 20 см.
о --1------
О 50 100 150 200 250 300 350 400
t,c
Рис.5 Портрет жидкостей. Трубка 10 см.
Из полученных данных можно сделать вывод, что чем длиннее путь прохождения луча в неоднородной среде, тем сильнее происходит отклонение луча, больше угол рефракции. Однако нет прямой пропорциональности между длиной трубки и угловым смещением луча. Более слабая зависимость обусловлена тем, что градиент концентрации паров в центральной части трубки значительно меньше, чем на ее краях, и основной вклад в отклонение луча
создают торцевые части трубок. В центральной части трубок пары заполняют внутреннюю полость трубки, и среда прохождения луча становится однородной. Для каждой жидкости функция зависимости уровня сигнала от времени (I=f(t)) имеет свой вид. Поэтому, регистрируя функцию I=f(t), можно получить средство для идентификации газа или жидкости. Критерием для идентификации могут служить, например максимальная глубина характеристики I=f(t), время восстановления фототока до исходного состояния. Наиболее полная характеристика содержится в форме зависимости I=f(t).
Заключение.
Проведённые эксперименты демонстрируют возможность использования лазерного луча для уверенной идентификации жидкости по её физическим характеристикам (коэффициент преломления паров, скорость испарения).
Показано влияние размеров емкости, в которых происходит испарение. Продемонстрировано также влияние турбулентности среды на пути распространения излучения.
Список литературы.
1. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. Учебное пособие для вузов. В.Н. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др. под ред. В.Н. Рождествина. -М: Изд-ва МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2002-528с.
2. Евстигнеев В.Л., Картуков А.В., Меркишин Г.В., Степанов А.С. Лазерный метод идентификации жидкостей. Материалы XVI Всероссийской конференции "Оптика и спектроскопия конденсированных сред", Краснодар, 3-9 октября 2010 г., с. 176-180.
Картуков Андрей Владимирович, старший преподаватель Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
МАИ, Волоколамское ш.,4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993;
тел.: 89031710374.
Меркишин Геннадий Васильевич,старший научный сотрудник, заведующий кафедрой Московского авиационного института (национального исследовательского университета), д.т.н.
МАИ, Волоколамское ш.,4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993,
тел.: 89032557339, e-mail:merkishingv@rambler.ru
Репин Анатолий Иванович, профессор Московского авиационного института (национального исследовательского университета), д.т.н.
МАИ, Волоколамское ш.,4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993
тел.: 89164215862.
Сушко Сергей Викторович, студент Московского авиационного института (национального исследовательского университета)
Москва, ул. Генерала Глаголева, 8, корп.3, кв. 77,
тел.:89031488463,e-mail: nfsmasterserg@mail.ru
