Бразовский В.В., кандидат технических наук, научный сотрудник Баранов В.А., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ивженко О. О., младший научный сотрудник Кулешов В.К.
(Международная лаборатория нераз-рушающего контроля Научно-исследовательского института интроскопии при Томском политехническом университете)
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
ДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ
С использованием скоростной цифровой камеры реализован метод компьютерной голографии для исследования дисперсного состава аэрозольных частиц в динамических процессах. Голографиче-ская картина фиксируется с помощью осевой схемы записи на матрицу цифровой камеры и передается в ЭВМ, где осуществляется расшифровка голограммы и анализ изображения. Данный метод, в качестве его апробации применен для контроля водного аэрозоля ультразвукового генератора.
Ключевые слова: цифровая голография, распределение частиц, обратная задача, дисперсный поток, обработка изображений, осевая схема, лазерное излучение.
UNIVERSAL OPTICAL QUALITY MONITORING OF DYNAMIC DISPERSE STREAMS
Via the high-speed camera the computer holographic method for analizing of an aerosol particles powder in dynamic processes is implemented. Holographic image is captured by the axial arrangement record on the matrix of the digital camera and transmitted to the computer where decoding of the hologram and analysis of the image is carried out. This method is applied to water aerosol of ultrasonic generator controlling to approbate it.
Keywords: digital holography, particle distribution, inverse problem, disperse flow, image processing, layout axial, laser emission.
Введение
Поскольку спектр дисперсных потоков очень широк и зависит ряда факторов, методы их контроля чрезвычайно разнообразны и существенно различаются не только для разных типов динамических потоков, но и в пределах одного типа. Наилучшие результаты в настоящее время достигаются одновременным использованием нескольких различных методов, дополняющих друг друга. Например, для измерения распределения аэрозольных частиц по размерам промышленно выпускаются анализаторы размеров частиц серии LS. Приборы изготовлены на базе твердотельного лазера с длиной волны 750 нм и производят анализ образцов в водных и органических средах или в сухом виде. Время анализа: 15 - 90 секунд, область распределения измеряемых размеров частиц от 4-х мкм до 2000 мкм. Результаты рассчитываются из данных дифракции с использованием теории Фраунгофера и теории Ми и представляются в виде распределения частиц по объему.
Столь высокие показатели прибора достигаются за счет использования стационарной схемы измерения и, соответственно, значительного времени работы с объектом для проведения анализа. Процессы, происходящие в дисперсном потоке, относятся к быстропротекаю-щим процессам. Очевидно, подобные приборы высокой точности не могут быть использованы для этой цели, как из-за высокой скорости протекающих процессов, так и по технологическим причинам, наиболее существенными из которых являются чрезвычайно большие гра-
диенты давления, турбулентные потоки с содержанием твердых частиц и, как результат, выход из строя рабочих поверхностей оптических элементов.
В настоящей работе, на основе анализа достоинств и недостатков существующих методов регистрации предлагается использовать голографический метод с использованием электронной регистрации голограммы и обработкой последней на ЭВМ, позволяющий зарегистрировать и рассчитать пространственное распределение частиц или дисперсный состав практически с любой требуемой точностью.
Методы определения
Самым простым и наиболее трудоемким является сбор и прямое измерение частиц с помощью микроскопа (желательно, электронного).
Оптические методы обычно строятся на измерении следующих характеристик:
1. Прозрачность.
2. Степень поляризации рассеянного света.
3. Индикатриса рассеяния.
4. Дифракционная картина.
5. Голографическая картина.
В зависимости от диапазона размеров частиц применимы различные методы исследования дисперсности.
Пусть f(r) - функция распределения частиц по размерам, o(ß,X,r) - функция рассеяния излучения с длиной волны X по углам ß для отдельной частицы радиуса r. Тогда при облучении взвеси частиц параллельным пучком света обратная задача рассеяния сводится к обращению линейного интегрального уравнения первого рода [2,3]:
r
max
S(ß, X) = N J c(ß, X, r)f (r)dr (1)
r
min
где S(ß,X)-общий показатель рассеяния, N - общая концентрация; rmin и rmax - граничные радиусы частиц взвеси.
Для рассеяния на малые углы с учетом положений теории рассеяния Ми уравнение (1) принимает вид:
I (ß) = -02 J f (r )r 2J2(pß)dr (2)
ß О
2nr
где р =-, I и I0 интенсивности рассеянного и исходного излучения. Для определения
X
функции распределения частиц по размерам, рассчитываемой по измеряемой индикатрисе рассеяния света, необходимо решить обратную задачу рассеяния. Исходя из теории обращенных трансформаций Фурье-Бесселя интегральное уравнение (2) может быть точно обращено:
}3
4п2/0 d 7 —
f (р) =--Jф(рß) L Jdß (3)
' 0
где ф(x)=xJ1(x)Y1(x), J1 и Y1-функции Бесселя 1-го и 2-го рода
Эта задача относится к классу некорректных и не имеет однозначного решения [1]. Принципиальные трудности восстановления функции распределения связанны с конечной точностью измерения индикатрисы рассеяния. Например, применение метода Шифрина [2,3] требует предварительного сглаживания индикатрисы рассеяния перед численным дифференцированием. Этот метод принципиально непригоден для описания рассеяния на малых частицах (менее 2 мкм), что связано с использованием асимптотического решения. Метод при-
водит к появлению в функции распределения участков с отрицательными значениями. Использование метода также требует обрезания экспериментальной индикатрисы рассеяния по углам: сверху - из-за нарастания влияния на результат экспериментальных погрешностей при больших углах рассеяния и снизу - для устранения области аппаратного искажения индикатрисы при малых углах.
Известен ряд разновидностей метода рассеяния света малыми частицами. К ним относятся:
а) Метод спектральной прозрачности.
Физическая сущность этого метода, разработанного Шифриным К.С. с сотрудниками [2], состоит в измерении показателя рассеяния БфД) системы частиц в некотором объеме при вариации длины волны падающего излучения за счет изменения параметра.
Реализация этого метода заключается в экспериментальном нахождении коэффициента пропускания прямо прошедшего излучения Т(Х) через слой рассеивающих частиц толщиной И при различных длинах волн X в некотором спектральном интервале.
б) Метод полной индикатрисы [3].
Он пригоден, когда среда содержит оптически мягкие частицы, т.е. выполняется условие р(п-1)<1.
Этот метод основан на измерении индикатрисы рассеяния по всем направлениям.
в) Метод многоволнового обратного рассеяния [4].
Этот метод разработан применительно к лазерному зондированию атмосферы. Однако он может быть использован для определения Г(г) различных рассеивающих сред. Задача сводится к обращению уравнения:
ж
0(п, X) = \пг 20(г, X) / (г )Дг (4)
0
Когда в эксперименте измеряется показатель рассеяния 0(п, X;) при нескольких длинах волн X; в направлении, противоположном направлению падающего излучения. Здесь Q -фактор рассеяния в направлении назад.
г) Статистический метод [4].
В его основе лежит изучение зависимости статистических характеристик светового поля и рассеивающей среды, полученной при решении уравнения распространения электромагнитных волн. Диапазон восстанавливаемого распределения частиц в этом методе составляет
0,02-4 мкм.
д) Метод малых углов [2,5].
Метод применим для анализа крупных частиц р>>1.
Он основан на измерении "ореола" вокруг направления на источник света. Рабочей формулой для определения функции распределения частиц по размерам является (3).
Кроме проблем чисто вычислительного характера имеются и проблемы физического и технического характера [7,8]. Прежде всего, в данном методе не учитывается интерференция излучения, рассеянного различными частицами. Еще одна проблема при регистрации возникает за счет тепловых градиентов исследуемого объекта. Тепловая неоднородность в струе приводит к неконтролируемым отклонениям рассеянного излучения и к дополнительным ошибкам результатов измерений, которые могут оказаться весьма существенными. С технической точки зрения одной из существенных проблем для малоугловых методов с измерением рассеянного света является разделение падающего и рассеянного излучений. Кроме того, при регистрации с использованием лазерного излучения происходит выгорание регистрирующих элементов, на которые попадает сфокусированное падающее лазерное излучение (см. рис. 1).
Рис. 1. Схема эксперимента при малоугловом рассеянии. 1 - лазерное излучение, 2 - объект исследования, 3 - объектив, 4 - регистрирующий материал
Лазерное излучение 1, проходя через область выхлопных газов 2, рассеивается твердыми частицами. Регистрирующий материал 4 помещается в фокальной плоскости объектива. Объектив осуществляет двумерное преобразование Фурье. Для определения функции распределения по размерам необходимо измерить индикатрису рассеяния 1(Р). Рассеянное частицами под углом в излучение линзой собирается на расстоянии х от главного фокуса линзы. Производится измерение функции 1(х) и используя соотношение 1§Р=х/Р получают функцию 1(Р). Чтобы избавиться от исходного пучка, который мешает выделить сигнал при малых углах рассеяния, измерения обычно проводятся за пределами фокального пятна, в котором собран исходный пучок.
Несомненным достоинством методов малоуглового рассеяния является независимость результатов измерения от турбулентности газовой струи. Действительно, угол, на который происходит рассеяние света на частице, зависит только от ее размера и не зависит от ее положения в струе или скорости ее движения. Перемещение частиц вдоль и поперек пучка не меняют распределения интенсивности в фокальной плоскости. Свет, рассеянный под данным углом, распределен в фокальной плоскости линзы на соответствующее угловое р
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.