ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 5, с. 155-157
_ ПРИБОРЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ _
--В ЛАБОРАТОРИЯХ -
УДК 551.521.32:551.510.42
СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА АЭРОЗОЛЬНЫМИ ЧАСТИЦАМИ
© 2008 г. В. С. Козлов, В. П. Шмаргунов, В. В. Полькин
Поступила в редакцию 21.01.2008 г. После доработки 29.02.2008 г.
Для исследования поглощающих свойств атмосферного аэрозоля применяются проточные фотометры монохроматического излучения, в которых измеряется коэффициент поглощения света или массовая концентрация сажи посредством регистрации ослабления излучения слоем частиц непосредственно в процессе их осаждения из воздушного потока на аэрозольный фильтр [1, 2]. Поглощение атмосферным аэрозолем в видимой области спектра в основном определяется сажевой компонентой, поступающей в воздух в ходе многочисленных природных и антропогенных процессов сгорания материалов (пожары, промышленность, транспорт и др.). Величина регистрируемого диффузного ослабления света слоем частиц прямо пропорциональна поверхностной концентрации сажи на фильтре и, следовательно, ее массовой концентрации в воздухе. Применимость метода для измерения концентрации поглощающего аэрозоля обоснована результатами теоретических и экспериментальных исследований [1-4] и обусловлена тем фактом, что ослабление излучения слоем частиц, осажденных на диф-фузно рассеивающий аэрозольный фильтр, определяется поглощательной способностью частиц и слабо зависит от их рассеивающих свойств.
В разработанных нами приборах воздушный поток с реальным аэрозолем поступает в оптическую ячейку прибора по шлангу с внутренним диаметром 8 мм и длиной ~2 м, средняя производительность забора составляет ~2-5 л/мин. При таких параметрах крупнодисперсный аэрозоль с размерами частиц >1 мкм в основном осаждается во входной воздушной магистрали. Таким образом, фотометры в основном регистрируют коэффициент поглощения аэрозоля и содержание сажевой компоненты лишь в составе субмикронной фракции аэрозоля. Именно этим обстоятельством в значительной степени объясняется выбор длин волн в видимой области спектра.
Один из разработанных нами приборов - спектрофотометр - позволяет оценивать спектральную зависимость коэффициента поглощения аэрозоля в видимой области спектра для трех длин волн. Второй прибор - дифференциальный
фотометр - предназначен для регистрации низких значений массовой концентрации сажи.
Спектрофотометр используется для оценки коэффициента поглощения аэрозоля (в том числе спектрального хода поглощения). Прибор измеряет величину АТИ = 1001п(/0/(/0 - йГ)), которая характеризует оптическое ослабление света слоем частиц ("диффузная" оптическая толща). Здесь Г0 - сигнал, регистрируемый в измерительном канале в начале каждого цикла забора пробы, йГ - измеряемая накопленная за время отдельного цикла йх, мин, разность сигналов в начале и конце измерений. Абсолютная калибровка прибора выполнена на основе совместных измерений характеристик поглощения приземным аэрозолем с помощью фотометра и оптико-акустического спектрометра [2].
Блок-схема прибора приведена на рис. 1. В качестве источника излучения белого света 1 используется светодиод LXHL-PW03 мощностью 5 Вт. Интенсивность излучения светодиода сильно зависит от температуры, поэтому он помещен в термостат 2. Свет, проходя через фильтр 3, попадает на приемник 4 (ТСБ230), регистрирующий оптическое излучение для трех длин волн: 460, 530, 630 нм. Световой сигнал преобразуется приемником в частоту, что позволяет проводить измерения в большом динамическом диапазоне, 104, с погрешностью 0.03%. Расход воздуха контролируется ротаметром 5. Процесс измерения, включение компрессора 7 для прокачки воздуха через фильтр и связь с компьютером 8 осуществляет контроллер 6. Прибор работает в автоматическом либо в операторском режимах под управлением сервисной программы, которая позволяет получать в графическом виде временную зависимость измеряемого параметра и сохранять результаты измерений.
Технические характеристики прибора. Предельная чувствительность по коэффициенту поглощения - до 2.8 ■ 10-7 м-1 (при прокачке через прибор 35 л воздуха). Тип светодиода LXHL-PW03; мощность светодиода 5 Вт; фотоприемник ТСБ230. Величина светового сигнала через чистый фильтр 12 кГц; темновой сигнал 12 Гц; погрешность измерения светового потока
156
КОЗЛОВ и др.
Аэрозоль
Вход Выход
Рис. 1. Блок-схема спектрофотометра. 1 - источник излучения; 2 - термостат; 3 - аэрозольный фильтр; 4 - приемник; 5 - ротаметр; 6 - контроллер; 7 - компрессор; 8 - компьютер.
0.03%. Потребляемая мощность прибора 10 Вт; масса прибора без компрессора 2.5 кг; габариты 250 х 250 х 250 мм.
Дифференциальный фотометр для улучшения точностных характеристик в условиях неоднородного потока воздуха изготовлен с двумя каналами, имеющими одинаковые оптико-механические параметры. Один из каналов служит для оценки поглощающих свойств атмосферного аэрозоля, а через второй прокачивается чистый воздух. Максимальная идентичность каналов позволяет повысить чувствительность прибора.
При известных времени забора и расходе воздуха через прибор V, м3/мин, массовая концен-
трация определяется выражением М5 [мкг/м3] = = АТИ • БДК^йХ), где Б, см2 - площадь аэрозольного фильтра; йх, мин - время экспонирования; К, см2/мкг - калибровочная постоянная для конкретной конструкции прибора, определяющая связь поверхностной массовой концентрации сажи на фильтре с ослаблением.
Прибор прокалиброван по сажевым частицам. Абсолютная калибровка фотометра проводилась на основе сопоставления данных синхронных оптических и гравиметрических измерений сажевого аэрозоля [5]. При калибровке использовались сажевые частицы размером 50-200 нм, которые образовывались при пиролизе паров бутанола в атмосфере азота при температуре 1150°С. Результаты оптических измерений показали, что для различных режимов генерации сажи, зависящих от соотношения потоков паров бутанола и азота, в диапазоне оптических плотностей до АТИ = 250 наблюдался близкий к линейному ход зависимости накопления сигнала фотометра АТИ от времени. Это позволило использовать данные различных режимов генерации для построения калибровочной характеристики прибора.
Схема прибора приведена на рис. 2. В качестве источников излучения 1 используются два термостатированных (термостат 2) светодиода БЬ-43Б0-0305. Фотоприемниками 5 служат два преобразователя свет/частота ТБЬ 237. Светоди-оды включены последовательно, с тем чтобы протекающий через них ток был одинаковым. Дополнительно для контроля нагрева на источнике и приемнике установлены датчики температуры. Управление и считывание информации осуществляется контроллером ЛТМе§а-8 (6). Связь с компьютером 8 поддерживается через последовательный порт ЯБ-232. Для контроля расхода воздуха установлены два ротаметра и два датчика AWM43600 (9), работающие в диапазоне 0-6 л/мин.
Рис. 2. Схема дифференциального фотометра поглощения. 1 - светодиоды; 2 - термостат; 3 - оптическая ячейка; 4 -аэрозольный фильтр; 5 - фотоприемники; 6 - контроллер; 7 - компрессор; 8 - компьютер; 9 - расходомеры.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 5 2008
СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
Для прокачки воздуха используется компрессор 7. Сервисная программа, написанная на языке PASCAL в Delphi 7.0, позволяет осуществлять управление прибором в автоматическом режиме, формировать базу данных и просматривать результаты в графическом виде.
Технические характеристики прибора. Предельная чувствительность 5 нг ■ м-3; время измерений 1-60 мин; спектральные характеристики источника 460, 520, 640 нм. Расход воздуха 1-5 л/мин; аэрозольные фильтры АФА, ватман. Потребляемая мощность 15 Вт; масса прибора без компрессора 2.5 кг; габариты 250 х 250 х 250 мм.
Разработанные фотометры были успешно апробированы в условиях экспедиций в Белом море и в Атлантическом океане для оперативных круглосуточных измерений характеристик поглощения аэрозоля.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-05-64393.
157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hansen A.D.A., Rosen H, Novakov T. // Sci. Total Environ. 1984. V. 36. № 1. P. 191.
2. Козлов B.C., Панченко M.B., Шмаргунов В.П. // XI Рабочая группа "Аэрозоли Сибири". Тез. докладов. Томск: Изд-е ИОА СО РАН, 2004. С. 62.
3. Rosen H, Novakov T. // Appl. Opt. 1983. V. 22. № 1. Р. 1265.
4. Clarke A.D. // Appl. Opt. 1982. V. 21. № 16. P. 3021.
5. Baklanov A.M., Kozlov V.S., Panchenko M.V. et al. // J. Aerosol. Sci. 1998. V. 29. P. 919.
Адрес для справок: Россия, 654055, Томск, просп. Академический, 1, Институт оптики атмосферы CO РАН; тел. (382-2)-49-28-48, факс (382-2)-49-20-86.
E-mail: victor@iao.ru, vpsh@iao.ru, vkozlov@iao.ru
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 5 2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.