Малогабаритная аэрозольная камера для контроля работоспособности спектроскопических лидаров

Полезная модель относится к измерительной технике исследования и анализа материалов с помощью оптических средств и может быть использована при проведении полевых (натурных) испытаний аппаратуры для дистанционного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений, а также для исследования спектральных свойств аэрозолей.

Предлагаемая малогабаритная аэрозольная камера для контроля работоспособности спектроскопических лидаров, содержит корпус, выполненный в форме трубы с окнами для прохождения излучения, средства для создания и ввода аэрозоля в камеру, а также перемешивания аэрозоля в камере, при этом корпус камеры выполнен из водостойкого или коррозионно-стойкого материала и камера снабжена замкнутой системой, обеспечивающей циркуляцию и продувку аэрозоля в камере; камера дополнительно содержит опору - треногу, позволяющую манипулировать положением камеры по вертикали в пределах угла ±30° и по горизонтали на 360° и прицел для наведения камеры в створ с лидаром; для создания оптического канала контроля концентрации аэрозоля, она содержит лазер и фотодиод, разделенные исследуемой средой (аэрозолем) и закрепленные на корпусе камеры по обе стороны от окон таким образом, чтобы луч лазера попадал в фотодиод, проходя через центр камеры по ее диагонали. Технический результат - мобильная аэрозольная камера, входящая в состав лидара для оперативного контроля его параметров в полевых условиях.

1 н.п.ф.п.м.., 9 з.п.ф.п.м., 3 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике исследования и анализа материалов с помощью оптических средств и может быть использована при проведении полевых (натурных) испытаний аппаратуры для дистанционного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений, а также для исследования спектральных свойств аэрозолей.

Задача контроля аэрозольных и газовых выбросов, представляющих собой источник повышенной экологической опасности, в настоящее время приобретает большое значение. Это связано как с интенсивным развитием промышленного комплекса, так и с возможным использованием искусственно созданных аэрозольно-газовых образований в противоправных целях. Поэтому необходима разработка соответствующих методов исследования локального аэрозольного и газового состава атмосферы, обеспечивающих получение данных с высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах [Г.Г.Матвиенко, И.В.Пташник, О.А.Романовский, О.В.Харченко, В.С.Шаманаев. Применимость DF-лазера для детектирования аэрозольно-газовых выбросов. Прикладная физика, 2002, 1, с.129-136].

Известны оптические устройства для определения высоты облаков, видимости в атмосфере, микроструктуры и других параметров атмосферных образований - лидарные устройства, содержащие лазерный источник излучения, оптические приемники и блок регистрации сигналов [Захаров В.М. и др. "Лидары и исследование климата". - Л.: Гидрометеоиздат, 1990].

При практическом использовании лидаров в целях лазерного зондирования атмосферы в числе наиболее методологически важных находится задача калибровки лидарного сигнала и контроля работоспособности лидара в полевых условиях [П.В.Козлов, Г.А.Когай, Л.Г.Свердлик. К методологии калибровки сигнала обратного рассеяния при многоволновом лидарном зондировании атмосферы. Вестник КРСУ 5, 2003].

Известны стационарные аэрозольные камеры, предназначенные для изучения свойств аэрозоля и разработки принципиальных основ лазерного зондирования. В этих грандиозных сооружениях [Боровский Н.В., Волковицкий О.А. Большая аэрозольная камера. Труды ИПГ, вып.7, 1967]: малая и большая аэрозольная камера Института оптики атмосферы объемом 300 и 1200 м³ ; большая аэрозольная камера [Метеорология и гидрология 10, 2000, стр.38-39] в виде цилиндрического резервуара высотой 18 м, диаметром 15 м с толщиной стенок 6 мм из стали марки Ст.20, туман создается путем адиабатического расширения влажного воздуха.

Эти аэрозольные камеры имеют ряд недостатков. Так, в течение опыта можно провести только одно измерение при относительно постоянном фазо-дисперсном составе и концентрации частиц аэрозоля. Это объясняется тем, что при отсутствии направленного движения частиц аэрозоля, имеющего место в естественных условиях, в нем начинают происходить коагуляция и сепарация частиц, сопровождающиеся изменением фазо-дисперсного состава и концентрации частиц аэрозоля во время опыта. В связи с этим для получения достоверных данных об микрофизических характеристиках аэрозоля, полученного даже из одного дисперсного состава на фиксированном технологическом режиме, необходимо многократное повторение опытов. Следует отметить также, что конструкция известных камер и устройств затрудняет возможность установления определенных значений концентраций и оптических толщин аэрозоля при фиксированном его фазо-дисперсном составе. Это объясняется тем, что фактически сразу после заполнения камеры аэрозолем его свойства начинают изменяться. Это существенно повышает трудоемкость испытаний. Кроме того, эти камеры установлены в зданиях, что исключает возможность их использования для калибровки лидаров.

Известна комплексная автоматизированная система проведения специальных испытаний (КАСПИ) [Направления совершенствования методов испытаний гибридных лидарных систем дистанционного мониторинга загрязнений окружающей среды физиологически активными веществами (ФАВ) Ю.А.Палатов, A.M.Антохин, С.А.Втюрин, Н.А.Князев, А.И.Коробкин, В.Н.Фатеенков Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса, 2007, т.4. В.1, с.236-244], в состав которой входит 20 метровая газово-аэрозольная камера ГАЭК. С ее помощью осуществляют моделирование оптических свойств облаков паров ФАВ в заданном диапазоне спектра (от 0,25 мкм до 15 мкм) и мелкодисперсных облаков (средний диаметр от 0,1 до 5-10 мкм). Моделирование заданного распределения аэрозольных частиц по размерам осуществляется с помощью генераторов монодисперсных капель путем набора соответствующих потоков монодисперсных аэрозольных капель.

Эта камера может быть использована для определительных испытаний лидаров, для сравнения параметров лидаров разных конструкций и принципов работы. Но ее стационарное размещение, универсальность, размеры и стоимость исключают возможность оперативно контролировать работоспособность конкретных образцов лидаров в местах их использования.

Известна камера (stealth tube), используемая в лидарных измерениях тропосферного аэрозоля [Tunable Ultraviolet LIDAR In Chemical and Biological Sensing, Patrick J. Gardner, Editor, Proceedings of SPIE, Vol.4036 (2000), p.236-243], представляющая собой 30 футовую (9 метров) картонную трубу диаметром 42 дюйма, установленную на большом трейлере. Труба имеет две 15-футовые секции и фактически круглую форму. Камера имеет четыре аэрозольных инжектора и четыре стационарных вентилятора для ввода аэрозоля и его перемешивания. Концы трубы могут быть оставлены открытыми или закрываются материалом, прозрачным на используемой лазерной длине волны. Когда концы закрыты, аэрозоль остается в камере почти неопределенно долго, а когда концы открыты, то в отсутствие ветра можно поддерживать аэрозоль в течение больше чем 10 минут. Для работы с открытой камерой используются вакуумные фильтры HEPА, чтобы захватить любые аэрозоли, которые выходят из трубы.

Недостатками камеры является ее большой размер, что резко ограничивает оперативность и массовость ее использования, и невозможность работать с водными аэрозолями, гак как корпус камеры выполнен из картона.

Задачей полезной модели является создание мобильной аэрозольной камеры, которая могла бы войти в состав лидара и использоваться для оперативного контроля его параметров в полевых условиях, а также обеспечение возможности работы камеры с разными растворами, смесями и химическими соединениями, которые не должны напрямую попадать в атмосферу.

Поставленная задача решается тем, что, как и известная предлагаемая малогабаритная аэрозольная камера для контроля работоспособности спектроскопических лидаров, содержит корпус, выполненный в форме трубы с окнами для прохождения излучения, средства для создания и ввода аэрозоля в камеру, а также перемешивания аэрозоля в камере.

Новым является то, что корпус камеры выполнен из водостойкого или коррозионно-стойкого материала и камера снабжена замкнутой системой, обеспечивающей циркуляцию и продувку аэрозоля в камере.

Предпочтительно, чтобы корпус камеры был выполнен из такого коррозионно-стойкого материала как нержавеющая сталь. Выполнение корпуса из нержавеющей стали позволяет работать с водными аэрозолями.

В качестве средств для создания и ввода аэрозоля она содержит два генератора аэрозоля с трубопроводами, соединенными с двумя патрубками, расположенными, предпочтительно в нижней части камеры.

Замкнутая система циркуляции и продувки аэрозоля в камере включает побудитель расхода аэрозолей, трубопроводы и вентили, соединенные в замкнутую цепь: камера - побудитель расхода - два параллельно установленных генератора аэрозоля - камера.

Побудитель расхода аэрозолей, соединен трубопроводами с генераторами аэрозоля и одним выпускным патрубком, расположенным, предпочтительно, в верхней части камеры,

Вентили обеспечивают продувку камеры.

Для перемешивания аэрозолей она содержит, по меньшей мере, два вентилятора, расположенные внутри камеры.

Камера также дополнительно содержит средства для подогрева окон, исключающие образование конденсата на окнах камеры при работе с водными аэрозолями.

В качестве средств подогрева окон, камера может содержать тепловентиляторы, установленные таким образом, чтобы горячий воздух обдувал поверхность окон снаружи.

Камера дополнительно содержит опору - треногу, позволяющую манипулировать положением камеры по вертикали в пределах угла ±30° и по горизонтали на 360°.

Для создания оптического канала контроля концентрации аэрозоля, она содержит лазер и фотодиод, разделенные исследуемой средой (аэрозолем) и закрепленные на корпусе камеры по обе стороны от окон таким образом, что луч лазера попадал в фотодиод, проходя через центр камеры по ее диагонали.

Аэрозольная камера дополнительно снабжена прицелом для наведения камеры в створ с лидаром.

В дальнейшем изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 представлена схема аэрозольной камеры.

На фиг.2 блок-схема аэрозольной камеры с опорой.

На фиг.3 приведен результат совместных измерений концентрации частиц аэрозоля (1) из водного раствора триптофана двух концентраций в камере и сигнала флуоресцентного лидара от этого аэрозоля (2).

Приведенная на фиг.1 малогабаритная аэрозольная камера для контроля работоспособности спектроскопических лидаров содержит корпус 1 в виде трубы с окнами 2 для прохождения излучения, два генератора аэрозоля 3, побудитель расхода аэрозолей 4, впускные патрубки 5 для подачи аэрозолей в корпус 1 камеры, установленные в нижней части корпуса 1, выпускной патрубок 6, установленный в верхней части корпуса 1, вентиляторы 7 для перемешивания аэрозоля, расположенные внутри корпуса 1, лазер 8, фотодиод 9 для измерения интенсивности прошедшего через камеру излучения лазера 8, вентили 10-12 для осуществления циркуляции аэрозолей в камере. Аэрозольная камера дополнительно снабжена опорой (треногой) 13 и тепловентиляторами 14 (Фиг.2) для подогрева окон 2, прицелом 15 для наведения камеры в створ с лидаром; генераторы аэрозолей 3 и побудитель расхода аэрозолей 4 установлены на площадке 16, прикрепленной к корпусу 1.

Корпус 1 камеры имеет длину 1200 мм и диаметр 400 мм, проходной диаметр оптических окон 2 составляет 330 мм. Такой диаметр позволяет при контроле работоспособности спектроскопических лидаров с типовой расходимостью излучения 0,1-0,15 мрад и установке камеры на расстоянии до 1000 м исключить виньетирование лазерного луча оправой окон. Длина камеры определяется в основном конструктивными соображениями; количество аэрозоля в камере такой длины вполне достаточно для формирования калибровочного сигнала.

Высота установленной на треноге камеры - 1500-1600 мм.

Корпус 1 камеры изготовлен из нержавеющей стали марки 12Х18Н, окна камеры изготовлены из нефлуоресцирующего кварцевого стекла марки КУ-1 для исключения возможности возникновения шумовых сигналов вследствие люминесценции окон.

В качестве генераторов аэрозолей 3 дисперсионного типа используются медицинские ингаляторы "Вулкан-2"; наиболее вероятный размер создаваемых ими частиц составляет 5 мкм. В качестве побудителя расхода 4 используется вакуумный мембранный насос НВМ-2; в отличие от обычных вакуумных насосов в мембранных насосах обеспечивается отсутствие контакта прокачиваемой среды с маслом, заполняющим насос.

Для наведения камеры в створ с лидаром используется прицел марки SUPER В НОККА производства JAPAN OPTICS LTD, обеспечивающий наведение на дальности до 1 км.

Аэрозольная камера устанавливается на треноге 13 (Фиг.2) и наводится в створ с лидаром. Включается лазер 8 и фотодиодом 9 измеряется интенсивность I₀ его излучения, прошедшего через камеру в отсутствие аэрозоля. Включаются генераторы аэрозоля 3, вентиляторы 7 и тепловентиляторы 14. Генераторы аэрозолей 3 наполняют корпус 1 аэрозольной камеры 1 аэрозольными частицами, концентрация которых через 0,5-1 минуту достигает стационарного значения. Измеряется интенсивность I излучения лазера 8, прошедшего через наполненный аэрозолем корпус 1 камеры, и по формуле

определяется концентрация N аэрозоля в камере (здесь k - табулированное значение коэффициента ослабления [Зельманович И.Л., Шифрин К.С. Таблицы по светорассеянию. Л.: Гидро-метеоиздат. 1968. Т.III. 435 с.], l - длина пути излучения лазера 8 в камере (примерно 1240 мм)). После этого камера готова к совместной работе с лидаром.

Результаты совместных измерений концентрации частиц аэрозоля из водного раствора триптофана двух концентраций в камере и сигнала флуоресцентного лидара от этого аэрозоля приведены на фиг.3. Концентрация аэрозольных частиц в камере (1) и сигнал флуоресцентного лидара (2); цифры на поле рисунка показывают концентрацию раствора триптофана.

1. Малогабаритная аэрозольная камера для контроля работоспособности спектроскопических лидаров, содержащая корпус, выполненный в форме трубы с окнами для прохождения оптического излучения, средства для создания и ввода аэрозоля в камеру, а также средства для перемешивания аэрозоля в камере, отличающаяся тем, что корпус камеры выполнен из водостойкого или коррозионно-стойкого материала и содержит замкнутую систему циркуляции и продувки аэрозоля в камере.

2. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что корпус камеры выполнен из нержавеющей стали.

3. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что замкнутая система циркуляции и продувки аэрозоля в камере включает побудитель расхода аэрозолей, трубопроводы и вентили, соединенные в замкнутую цепь: камера - побудитель расхода - два параллельно установленных генератора аэрозоля - камера.

4. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что в качестве средств для создания и ввода аэрозоля в камеру она содержит два генератора аэрозоля, соединенные трубопроводами с двумя патрубками, расположенными предпочтительно в нижней части корпуса камеры.

5. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что в качестве средства для перемешивания аэрозолей она содержит два вентилятора, расположенные внутри камеры.

6. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства для подогрева окон.

7. Аэрозольная камера по п.6, отличающаяся тем, что в качестве средств для подогрева окон камера содержит тепловентиляторы, установленные таким образом, чтобы горячий воздух обдувал поверхность окон снаружи.

8. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно для создания оптического канала контроля концентрации аэрозоля она содержит лазер и фотодиод, установленные по обе стороны от окон таким образом, что луч лазера попадает в фотодиод, проходя через центр корпуса камеры по ее диагонали.

9. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что для наведения камеры в створ с лидаром она дополнительно содержит прицел, установленный в верхней части камеры.

10. Аэрозольная камера по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит опору-треногу, позволяющую манипулировать положением камеры по вертикали в пределах угла ±30° и по горизонтали на 360°.