автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронный метод определения характеристик дисперсных систем для энергетических установок и экологически чистых технологий

Список сокращений, принятых в диссертации.

Введение.

Физические и приборные методы определения характеристик аэро-, гидрозолей и математические приемы восстановления функций распределения частиц по размерам (обзор литературы, постановка задач исследования).

Физические и приборные методы определения характеристик аэро-, гидрозолей.

1 Макрофизические свойства полидисперсной среды. Характеристики взаимодействия зондирующего излучения с частицами аэро-, гидрозоля.

2 Приборные варианты схем измерения характеристик дисперсных потоков.

3 Методы определения размеров частиц, основанные на измерении физических характеристик, не связанных с их светорассеивающими свойствами.

4 Интегрально-оптические методы определения характеристик дисперсных сред.

Малоугловой метод регистрации индикатрисы рассеянного излучения.

Математическая обработка рассеянного излучения.

Решение обратной задачи рассеяния с использованием обобщённого преобразования Фурье.

Метод трёх углов определения ФРЧ по размерам.

Решение обратной некорректно поставленной задачи на основе регуляризующего алгоритма А.Н. Тихонова.

Метод восстановления функций распределения частиц по размерам путём их разложения по собственным функциям.

Цель и задачи диссертационной работы.

Выбор диапазона измерения и анализ процедуры восстановления функции распределения частиц по размерам для метода регистрации индикатрис рассеянного света под малыми углами на основании математического моделирования.

Математический алгоритм нахождения функции распределения частиц дисперсной среды по размерам в виде её разложения по собственным функциям.

Оценка восстановления ФРЧ при различных аср. и а.

Определение условий восстановления ФРЧ в случае мультимодального распределения.

Влияние помех на восстановление ФРЧ по размерам.

Анализ восстановления ФРЧ для монодисперсных сред.

Выводы по главе.

Обоснование выбора оптико-электронного тракта датчика регистрации индикатрисы рассеянного излучения.

Общий подход к анализу рассеянного поля большого числа частиц.

Описание прохождения сигнала в ОЭ датчике.

Оценочный расчёт сигнала на выходе ПИ датчика регистрации индикатрисы рассеянного излучения.

Интенсивное развитие промышленности и энергетических установок сопровождается возрастающими объёмами использования и расходования природных ресурсов и связано с постоянно усиливающимся загрязнением атмосферы. В настоящее время во многих промышленно развитых странах и особенно в индустриальных центрах, вблизи промышленных предприятий, уровни загрязняющих выбросов превышают величины, к которым могут адаптироваться организм человека и биосфера в целом. Прежде всего, к загрязняющим веществам атмосферы могут быть отнесены аэрозольные, включающие твёрдые и жидкие взвешенные частицы, и газообразные, плотность вещества которых, по крайней мере, на три порядка меньше аэрозольных. В настоящее время аэрозоли, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека, составляют около 10% от глобальных аэрозольных поступлений в атмосферу [59, 63, 73]. Высокое содержание вредных веществ в воздухе вызывает временные и хронические изменения в организме человека. Воздействие загрязняющих веществ связано с их поглощением организмом. Комбинация химически неактивных твёрдых частиц с такими газами как диоксид серы может привести к патологическим изменениям дыхательных путей, что выражается в затруднённом дыхании. Изменения могут привести к астме и её осложнениям, бронхитам, росту числа инфекционных заболеваний из-за ограничения освобождения верхних дыхательных путей от бактерий и накапливаемых посторонних веществ. 9

Могут наблюдаться изменения в составе крови и замедленный рост костной ткани. Известны публикации [59, 63, 64] о взаимосвязи уровня загрязнения воздуха с лёгочными заболеваниями (пневмония, астма, рак легких и др.).

Чаще всего высокие концентрации вредных веществ наблюдаются вблизи предприятий, связанных с промышленной и хозяйственной деятельностью - это предприятия металлургии, металло-, деревообработки, энергетики, машиностроения, выпускающие химическую продукцию, предприятия строительной, текстильной индустрии, транспортные средства и двигатели внутреннего сгорания и т. д. Причём наибольшие концентрации вредных веществ наблюдаются в рабочих зонах на самих предприятиях, поэтому они подлежат контролю со стороны служб техники безопасности и охраны окружающей среды.

В водных средах дисперсные материалы определяют мутность воды, характеризующую её пригодность для использования и жизнедеятельности живых и растительных организмов. При этом распределения частиц по размерам в гидрозолях определяют качество водоёмов, способность существования растений, планктона, рыб и водоплавающих животных.

В настоящее время достаточно хорошо поставлен контроль и мониторинг газовых загрязнений окружающей среды, тогда как оперативный контроль аэро-, гидрозолей (взвешенных частиц в воздухе или в жидкости) недостаточно проработан и отлажен. Разработка приборов контроля параметров аэро-, гидрозолей представляет интерес и для таких технологических процессов как электро-, газоочистка, электросепарация, электросмешивание, электрокоагуляция и

10 т. п. процессы, где для того, чтобы эффективно использовать взаимодействие частиц необходимо не только представлять характер их образования, вероятное поведение во взвеси, но и обладать достоверными методами и средствами контроля характеристик дисперсной системы. Среди контролируемых параметров дисперсных систем часто требуется определять средние размеры частиц, их концентрацию в объёме и распределение частиц по размерам - /(а). Среднее значение размеров частиц и их концентрация не всегда характеризуют проникновение частиц внутрь организма и не отвечают за последствия, связанные с влиянием на здоровье работников и населения. Именно функция распределения частиц (ФРЧ) по размерам имеет важное значение для охраны труда и окружающей среды, вследствие того, что отдельные фракции аэро-, гидрозоля имеют различный характер взаимодействия с биологической средой.

В настоящее время большую актуальность имеет проблема образования и переноса радиоактивных аэрозолей. Процесс изготовления ядерного топлива включает множество операций, в которых образуются аэрозоли как конденсационного (субмикронные частицы), так и диспергационного происхождения (активностный медианный аэродинамический диаметр (АМАД) находится преимущественно в интервале 1+10 и больше 10 мкм). В связи с этим, необходимо измерять истинное распределение частиц радиоактивных аэрозолей по размерам и полученные значения учитывать при решении вопросов установки фильтров, выбора средств защиты органов дыхания, расчёта доз облучения [64]. И

Для контроля параметров аэро-, гидрозолей требуются приборы и измерительные комплексы. В современных условиях, в целях мониторинга окружающей среды, контроля производственных процессов, основными требованиями, предъявляемыми к диагностическим приборам, являются: достоверность, полнота, оперативность представляемых показателей исследуемого золя, компактность и возможность компьютерной обработки необходимого объёма получаемых данных в реальном масштабе времени (например, в составе комплекса диагностических приборов мобильной экологической лаборатории). Помимо удовлетворения вышеперечисленным требованиям, необходимо учитывать возможность работы аппаратуры с большим спектром естественных и искусственных дисперсных образований; должен быть обеспечен контроль, не-разрушающий структуру взвеси и её характеристик. При этом необходимо, либо обеспечить репрезентативный пробоотбор, либо обеспечить однократное дистанционное взаимодействие излучения с частицами и регистрацию рассеянного излучения. Дистанционное взаимодействие излучения с частицами в настоящее время считается предпочтительным, и существуют схемные решения и современные математические методы решения обратных задач, позволяющие на основе анализа реакции системы частиц на внешнее излучение сделать выводы о характеристиках аэро-, гидрозоля.

Наиболее полное представление об исследуемой совокупности частиц дают оптико-электронные (ОЭ) методы изучения, основанные на явлениях поглощения и рассеяния частицами зондируемого оптического излучения. Эти

12 методы позволяют в реальном времени определять средние размеры, концентрацию и функцию распределения частиц по размерам, т.е. являются весьма актуальными для служб охраны труда и окружающей среды. Тем не менее, ОЭ методы изучения используются пока только для научных исследований аэро-, гидрозоля. Для практического использования в условиях контроля запылённости воздуха в атмосфере и на рабочих местах, контроля технической и питьевой воды необходимы: анализ характерных условий загрязнения рабочих, технологических зон на предприятиях, анализ контролируемых параметров взвесей, требуемых свойств и характеристик элементов ОЭ систем (ОЭС), оптимизация приборного исполнения ОЭС, анализ и разработка алгоритмов точного и устойчивого решения некорректных обратных задач, разработка новых методик изучения аэро-, гидрозоля в условиях контроля окружающей среды. Существующие оптико-электронные вычислительные комплексы определения ФРЧ по размерам имеют определённые ограничения не только по диапазону размеров частиц, их физико-химическому составу, но также не обладают достаточной точностью и оперативностью регистрации углового распределения рассеянного излучения, устойчивостью решения обратной задачи восстановления f(a), что приводит к неудовлетворительным показателям точности решаемых задач - погрешность восстановления ФРЧ более 15 %.

В качестве характерных условий контроля окружающей среды необходимо отметить, что при экологическом и санитарном мониторинге дисперсных систем выполняется контроль дисперсных образований различного физико

13 химического состава; средние размеры частиц могут находиться в диапазоне размеров с опасным воздействием на организм - 1+50 мкм и соответствуют соотношению р = 2ш / Я » 1, где а - эквивалентный радиус частицы, X - длина волны распространенных оптических лазеров; концентрация частиц в рабочей зоне и во многих технологических процессах соответствует условию кш nl < ], где п - объёмная концентрация частиц, I- длина запылённого участка, к — коэффициент ослабления излучения, поэтому может быть принят к рассмотрению малоугловой метод регистрации индикатрисы рассеянного света.

Учитывая проведённые исследования малоуглового метода измерения параметров аэро-, гидровзвесей, цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: обоснованный выбор системы регистрации индикатрисы рассеянного аэро-, гидрозолями излучения с вычислением определяющей характеристики дисперсных образований — ФРЧпо размерам как экологического показателя загрязнений рабочих зон, атмосферы и воды и технологического показателя производственных процессов.

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

• проведение аналитического выбора схемного исполнения метода малых углов (ММУ) с обоснованием возможности применения традиционных и современных источников излучения и регистрирующих устройств,

• разработка и математическое исследование методики восстановления f(a) в виде её разложения по собственным функциям для различных вариантов рас

14 пределения частиц (логарифмически-нормальный, бимодальный, монодисперсный законы распределения) и в условиях влияния погрешностей регистрации индикатрисы рассеивания,

• разработка рекомендаций для реализации практической схемы прибора контроля характеристик аэро-, гидрозолей для охраны труда и окружающей среды в рабочих и технологических зонах предприятия.

Материал по главам распределен следующим образом.

В 1-ой главе даётся обзор закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с одиночными частицами (различных форм, размеров, оптических постоянных) и их системами. Рассматриваются особенности схем и приборов при реализации различных методик определения характеристик дисперсных систем; принципов решения обратных задач применительно к малоугловому методу регистрации рассеянного излучения. Проанализированы наиболее часто используемые на практике варианты математических алгоритмов решения обратных задач нахождения f(a) в сравнении с представленным в работе подходом восстановления искомой ФРЧ по размерам в виде суммы собственных функций с соответствующими коэффициентами.

Во 2-ой главе и Приложении 1 приведён анализ рассматриваемого метода восстановления f(a). За основу принят логарифмически-нормальный закон распределения частиц аэро-, гидрозоля по размерам, как широко используемая функциональная форма для моделирования распределения частиц, образую

15 щихся из различных источников. Показаны возможности выбранного алгоритма решения обратной задачи светорассеяния в ММУ по:

• оценке условий работоспособности при различных аср и сг (среднеквадра-тическое отклонение) ФРЧ по размерам;

• восстановлению f(a) в случае бимодального распределения частиц по размерам;

• применимости метода в случае монодисперсных сред;

• оценке влияния помех, вносимых в индикатрису рассеяния, на качество восстановления ФРЧ по размерам.

3-я глава и Приложение 2 содержат систематизированное описание, анализ источников и приёмников излучения (ИИ и ПИ), используемых в устройствах малоугловой регистрации рассеянного излучения. Проведён анализ схем и предложен оптимальный выбор совместного использования ИИ и ПИ (исходя из требований по обеспечению точности регистрации углового распределения рассеянного излучения и динамического диапазона регистрируемого сигнала) с учётом характеристик элементов оптической системы (ОС) (ИИ, ОС - фокусирующий объектив, ПИ). Для используемого оптико-электронного тракта (ОЭТ) прибора определения характеристик аэро-, гидрозолей выполнены математическое описание и анализ прохождения регистрируемых сигналов.

На основе проведённого анализа свойств дисперсных систем, схем, методик решения обратных задач ослабления света частицами золя и результатов вычисления характеристик аэро-, гидрозолей, изложенных в научной литерату

16 ре, проведённого математического моделирования процесса регистрации, обработки результатов измерения, установили, что требованиям научной новизны соответствуют следующие пункты выполнения диссертации:

1. Проведение анализа существующих методов определения характеристик дисперсных систем для решения задач экологии, охраны труда, защиты окружающей среды, контроля технологических процессов, в результате которого установлена необходимость определения функции распределения частиц по размерам. Разработка методики восстановления f(a) в виде её разложения по собственным функциям и выбора оптимального числа суммируемых собственных функций, при регистрации индикатрисы рассеянного частицами золя излучения под малыми углами.

2. Определение диапазона размеров частиц взвеси, для которого погрешность восстановления выбранной методикой функции распределения не превышает 5 % по средним величинам размеров и 5 + 15 % на краях f(a) (за основу принят логарифмически-нормальный закон распределения); установлено, что указанным погрешностям восстановления [59, 58] удовлетворяет диапазон 1-50 мкм по среднему радиусу частиц.

3. Определение влияния параметров системы частиц (аср, о) на точность восстановления ФРЧ; показано, что для монодисперсных аэро-, гидровзвесей (сг < 0,5 мкм) f(a) восстанавливаются с большими погрешностями, чем для полидисперсных (сг> 1,0 -1,5 мкм).

17

4. Определение численным методом разрешающей способности и условий точного (в пределах 5-15 %) восстановления рассматриваемой методикой f(a) для разных законов распределения частиц по размерам (различных условий получения взвесей).

5. Формирование требований к компонентам оптико-электронного тракта прибора определения ФРЧ аэро-, гидрозоля по размерам при регистрации индикатрисы рассеянного излучения под малыми углами с учётом влияния каждого компонента на результирующий сигнал, снимаемый с фотоприёмника, в процессе математического моделирования.

В результате проведённой работы получены следующие практические результаты:

1. Разработана, проанализирована и протестирована (по соответствующим алгоритмам) программа восстановления ФРЧ по размерам для малоуглового метода регистрации индикатрисы рассеянного излучения, позволяющая восстанавливать функции распределения частиц по размерам в диапазонах изменения характеристик аэро-, гидровзвесей, характерных для рабочих и технологических зон промышленных предприятий, предприятий энергетики, металлургии, для стендов эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Исследованный диапазон размеров частиц (1-50 мкм) важен при контроле аэрозольного загрязнения на атомных электрических станциях.

18

2. Сформулированы требования и выбраны элементы ОЭ датчика измерительной схемы ММУ, обеспечивающие регистрацию индикатрисы рассеянного излучения - снятие в фиксированной плоскости изображения ОС эквивалентного ей распределения электрического сигнала, поступающего на дальнейшую компьютерную обработку. Выполнен расчёт прохождения сигнала для конкретных параметров и характеристик ИИ (He-Ne лазер), ПИ (ПЗС линейка) и определён уровень электрического сигнала на выходе системы. Показана возможность реализации прибора измерения характеристики дисперсных систем для логарифмически-нормального закона распределения частиц по размерам с параметрами {аср, о) характерными для рабочих и технологических зон предприятий, при экологическом контроле загрязнения окружающей среды.

3. Определены условия применения метода восстановления f(a) в виде её разложения по собственным функциям и показано, что он может использоваться для анализа дисперсных образований в приборах измерения загрязнения окружающей среды и для определения качества воды по её мутности.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Анализ существующих методов определения характеристик дисперсных систем, способов решения обратных оптических задач, на основе которого выбран малоугловой метод регистрации индикатрисы рассеянного излучения и способ восстановления ФРЧ аэро-, гидрозоля по размерам с минимизацией погрешностей вычисления.

19

2. Алгоритм вычисления f(a), условия и рекомендации по применению с учётом обеспечения точности и разрешающей способности восстановления наиболее часто встречаемых законов распределения частиц по размерам.

3. Разработка требований к компонентам прибора определения функции распределения частиц по размерам (в качестве ПИ предложено использовать ФПЗС линейку, при этом улучшаются точностные показатели регистрации индикатрисы рассеянного излучения, в первую очередь для грубодисперсной фракции аэро-, гидрозоля, что актуально в ММУ).

4. Расчёт сигнала в ОЭТ датчика регистрации индикатрисы рассеянного излучения, позволяющий получать оценку распределения электрического сигнала на чувствительных элементах ПИ и подбирать соответствующие схемные решения электронного тракта, согласующиеся также с программной (аналитической) частью прибора.

20

1. ФИЗИЧЕСКИЕ И ПРИБОРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРО-, ГИДРОЗОЛЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРИЁМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ. обзор литературы, постановка задач исследования)

Одними из загрязнений окружающей среды при хозяйственной деятельности являются выбросы дисперсных веществ в воздухе - аэрозолей и в воде - гидрозолей. Их вредное проявление оказывается вблизи промышленных предприятий, в рабочих зонах на самих предприятиях, в городах, где появляются пыли, дымы, туманы, смог. Наличие дисперсных загрязнений влияет на жизнедеятельность населения, экологическую безопасность. Анализ влияния аэро-, гидрозольных загрязнений показывает, что основными параметрами, влияющими на здоровье человека, являются, помимо самих веществ аэрозольных частиц, их размеры, концентрация и распределение частиц по размерам. Чаще других в качестве определяющих характеристик используют концентрацию частиц и средние размеры частиц. Ограничения содержащихся взвесей по размерам частиц, весовой и счётной концентрации являются защитными мероприятиями для сохранения здоровья и окружающей среды. Названные ограничения определяются санитарно-гигиеническими нормами и связаны с приборными измерениями характеристик дисперсных

21 сред и потоков. В последнее время в медицине и экологии приходят к пониманию необходимости измерения распределения частиц по размерам.

Можно сформулировать основные требования, которым должны соответствовать приборы измерения характеристик дисперсных систем. Система измерения характеристик дисперсных сред должна надёжно фиксировать характеристики взвесей, уровень которых может находиться в пределах от долей до нескольких значений предельно-допустимых норм и предельно-допустимых концентраций.

Размеры частиц взвесей, которые необходимо контролировать, лежат в достаточно большом диапазоне - от долей микрон до сотен микрон. Можно выделить наиболее часто встречающиеся диапазоны размеров, характерные для природных взвесей, загрязняющих факторов от технологических процессов. Устойчивые природные дисперсные образования определяются отрывом частиц пыли от поверхности земли при порывах ветра (5-100 мкм), появлением спор растений (4-30 мкм). В атмосфере наблюдается наличие мелких частиц -ядер Айткена (0,01-0,1 мкм), которые не являются определяющими в весовой концентрации атмосферных аэрозолей. Взвешенные загрязняющие аэрозоли, обусловленные работой промышленных установок, имеют размеры частиц в диапазоне 5-200 мкм (энергетические установки, строительная индустрия, пищевая промышленность, автотранспорт). Природные аэрозоли (кроме споровых включений), как и аэрозоли, обусловленные антропогенной

22 деятельностью человека, обычно полидисперсны и имеют большие пределы разбросов в размерах частиц (ст = 30-100 %).

Гидрозоли, обуславливающие мутность водных сред, обычно включают частицы, размеры которых лежат в пределах 5-500 мкм. Наиболее труден для очистки диапазон гидровзвесей 5-100 мкм.

В современных условиях измерения характеристик дисперсных систем для служб защиты окружающей среды и охраны труда должны проводиться в реальном времени, результаты измерений должны отображаться в виде визуальных показателей и записываться в память для дальнейшего воспроизведения. Этому соответствуют современные приборы экспресс диагностики, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

Важным требованием к системам измерения характеристик аэро-, гидровзвесей является то, чтобы измерения проводились без нарушения существующих потоков, изменения свойств среды. Такими системами могут быть оптико-электронные приборы, где используется освещение дисперсной среды и регистрация ослабленного (рассеянного) излучения, эффективная обработка электрического сигнала.

В настоящее время существует большое количество методов и приборов измерения характеристик дисперсных сред. Поскольку разработка измерительной системы контроля и анализа дисперсной среды в рабочих зонах должна отвечать перечисленным требованиям, соответствовать современному уровню научных разработок, необходимо рассмотреть основные методы

23 измерения и изучения характеристик аэро-, гидрозольных систем. На основе проведённого анализа могут быть сформулированы основные задачи диссертационной работы.

1.1 Физические и приборные методы определения характеристик аэро-, гидрозолей.

В настоящее время в общем виде многофункциональная комплексная задача разработки и использования системы измерения характеристик дисперсных систем для служб охраны труда и контроля состояния окружающей среды не решена. Имеется огромное число элементарных частных теоретически рассчитанных и практически подтверждённых случаев измерения параметров аэро-, гидрозольных взвесей. Каждый из них имеет определённый ограниченный диапазон изменений размеров, концентраций частиц, свои особенности учёта формы, физико-химического состава частиц, и каждый случай отражает соответствующие оптические и аэродинамические свойства частиц. Поэтому для обеспечения наиболее достоверного и полного контроля параметров аэро-, гидрозольной среды выбирают измерительные приборы, в основе работы которых лежат различные физические принципы изучения частиц.

Определение концентрации и свойств частиц аэро-, гидрозоля проводят косвенными методами, путём предварительного отделения взвешенной фазы от дисперсной среды с последующим исследованием осаждённых частиц (методы, основанные на фильтрации, седиментации). Другие методы используют

24 инерционное осаждение частиц (методы отпечатков, импакторы, центрифуги), осаждение в электростатическом и тепловых полях (электроосадители, преципитаторы). Названные методы связаны с отбором проб, при этом часто нарушаются существующие потоки, и результаты измерений получают после кропотливой дополнительной работы, требующей длительного времени обработки [1].

В качестве прямых методов изучения можно назвать оптические методы исследования взвесей путём фотографирования частиц, получения и изучения голограмм, при этом нарушение стабильности среды минимально. Фоторегистрация также требует большого времени на получение и анализ отпечатков и не может использоваться в реальном времени [9].

В настоящее время находят все большее применение оптико-электронные методы изучения аэро-, гидрозолей, и они становятся определяющими. Это объясняется, во-первых, неразрушающим воздействием оптического излучения на структуру взвеси; во-вторых, хорошо разработанной теорией распространения и взаимодействия электромагнитного излучения с различными средами (при этом, законы ослабления - экстинкции (рассеяние и поглощение) света на сферических частицах приняты за основу при рассмотрении воздействия излучения на частицы различных форм); в-третьих, существованием достаточного числа промышленно выпускаемых типов источников излучения (ИИ), оптических систем (ОС) и их компонентов (объективы, поляризаторы, оптические фильтры и т.д.), приёмников излучения

25

ПИ), различных отработанных вариантов их общей компоновки; в-четвёртых, широким набором математических методов расчёта и прикладных программных продуктов. Имеется достаточное количество расчётных, проверенных экспериментально, данных для анализа результатов измерений и подходов к изучению аэро-, гидрозолей.

Разработанные математические модели позволяют для достаточно сложных оптических систем решать задачу - соответствия отклика ПИ на преобразованное частицами среды электромагнитное излучение параметрам и характеристикам аэро-, гидрозоля. При этом, для минимизации ошибок и получения грамотного решения необходимо использовать предварительную (априорную) информацию о свойствах изучаемого золя.

При выборе методики регистрации рассеянного взвесями излучения на основе имеющихся данных, используя особенности взаимодействия оптического излучения с частицами, должна выполняться последовательность взаимозависимых исследований:

1) выбор математической связи между регистрируемым рассеянным излучением выбранного ИИ и заданными характеристиками аэро-, гидрозоля (размер, показатель преломления - т, форма частиц и т.п.);

2) выбор схем аспирации (отбор представительной пробы аэро-, гидрозоля, доставка её внутрь прибора) и формирования счётного объёма;

3) выбор типа ИИ и ПИ, угла направления излучения относительно направления регистрации, апертуры приёмного тракта, путём подбора

26 оптических компонент (диафрагм, линз, объективов, и т. п.); определение диапазона и шага регистрации углов наблюдения;

4) выбор математического алгоритма решения обратной задачи;

5) выбор и расчёт схемного исполнения тракта электронной обработки сигнала; сопряжение с ЭВМ;

6) разработка программных средств для представления требуемой информации.

Как правило, размеры и состав частиц аэро-, гидрозолей, существующих в природе и появляющихся в результате антропогенной деятельности, не являются одинаковыми, и такое состояние среды характеризуют полидисперсностью [9,14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основе анализа существующих методов контроля состояния взвесей в воздухе и воде, обоснован выбор оптического метода определения функции распределения частиц аэро-, гидрозолей по размерам для определения загрязнений в рабочих зонах предприятий, загрязнений на входе и выходе очистных сооружений для решения экологических задач при антропогенном и природном воздействии на окружающую среду. Установлено, что используемые приёмы определения f(a) трудоёмки и не всегда приводят к точному результату из-за сложности регистрации и методов восстановления f(a) при решении обратных математических задач. Погрешности регистрации индикатрисы и возникающие неточности расчёта приводят к большим погрешностям восстановления.

В работе обоснованы применимость малоуглового оптического метода регистрации индикатрисы рассеянного излучения, позволяющего в реальном времени решать задачу восстановления ФРЧ по размерам в виде разложения её решения по собственным функциям, выбор элементов приборного оформления метода.

Получены следующие научные и практические результаты: 1. В результате тестирования разработанной системы программ рассматриваемой методики восстановления f(a) определены:

140

• условия применимости определённой последовательности математических операций над элементами массива регистрируемых данных;

• роль и чувствительность групп собственных функций со своими коэффициентами в формировании основных встречаемых на практике законов распределения частиц аэро-, гидрозолей по размерам. Показано, что первые группы собственных функций (1+4, 5+8) определяют качество восстановления малых частиц, группы собственных функций 5+14 определяют большие размеры частиц в функции распределения;

• влияние полидисперсности (среднеквадратическое отклонение о) на стабилизизацию решения обратных задач;

• восстановление исходной /(а) в случае монодисперсных распределений не всегда удовлетворительно;

• для общего случая восстановления функции распределения частиц по размерам выбрано оптимальное число СФ и проанализированы погрешности, вносимые компонентами оптико-электронного датчика регистрации;

• данные, позволяющие использовать априорную информацию, и приёмы выбора решения обратных задач при восстановлении функций распределения частиц по размерам для дисперсных систем;

• условия влияния ошибок измерения при регистрации индикатрисы рассеянного излучения и проведении расчётов. В пределах 10 % ошибки

141 регистрации индикатрисы рассеяния, погрешность восстановления f(a) по средним величинам (характеристическому размеру для монодисперсных сред) не превышает 5 %, а на краях установленного диапазона размеров - 5+15 %;

• разрешающая способность метода восстановления f(a) в случае бимодального закона распределения частиц по размерам

Проведено сравнение полученных решений с известными решениями других авторов. Показано, что эти решения адекватно вписываются в предложенную аналитическую систему решения. С помощью предложенного аппарата анализа функций распределения частиц по размерам можно объяснить неудачи восстановления f(a) по методу регуляризации и разложению по собственным функциям при решении обратных задач для монодисперсных аэро-, гидрозолей.

2. Разработаны требования к элементам оптико-электронных приборов определения ФРЧ по размерам для контроля состояния окружающей среды, охраны труда, экологического состояния региона и состояния водных бассейнов и акваторий. Проведено сравнительное описание характеристик различных ИИ и ПИ. Проанализирована пригодность серийно выпускаемых оптико-электронных узлов и звеньев. Предложена схема регистрации индикатрисы рассеянного излучения в пределах малых углов, где в качестве источника излучения выбран He-Ne лазер, а приёмника излучения -многоэлементный детектор - фотоприёмник с зарядовой связью (ФПЗС линейка). При этом отсутствует механическое сканирование одноплощадочным

142 чувствительным элементом в плоскости изображения поля рассеивания; геометрические и оптические характеристики приёмника имеют высокие показатели по точности и стабильности; существуют широкие возможности электронной обработки информационного сигнала, в результате значительно возрастает точность вычисления f(a).

3. Проведены математические расчёты сигналов на выходе ЛФПЗС для дисперсных сред с различными параметрами ФРЧ по размерам и анализ полученных результатов.

Предложенная методика восстановления f(a) с использованием разложения по собственным функциям в малоугловом методе регистрации индикатрисы рассеянного взвесями света обеспечивает удовлетворительные результаты восстановления функции распределения в диапазоне размеров частиц а = 1+50 мкм, характерного для широкого набора дисперсных систем природного и промышленного происхождения.

Методика может быть использована в приборах контроля экологических параметров воды и атмосферы, может применяться для контроля запылённости воздуха на рабочих местах, вблизи энергетических и атомных установок, для контроля состояния природных и искусственных водоёмов.

143

1. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию.- М.: Мир, 1987.- 278 с.

2. Тихонов А.Н., Арсенин В .Я. Методы решения некорректных задач.- М.: Наука, 1986.-287 с.

3. Численные методы решения обратных задач математической физики. Под ред. Тихонова А.Н., Самарского А.А.- МГУ, 1988.- 268 с.

4. Плис А.И., Сливина Н.А. Лабораторный практикум по высшей математике.- М.: Высшая школа, 1994.- 416 с.

5. Краснов М.Л. Интегральные уравнения. Введение в теорию.- М.: Наука, 1975,- 301 с.

6. Краснов М.Л., Киселёв А.И., Макаренко Г.И. Интегральные уравнения.-М.: Наука, 1976.-215 с.

7. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений: Пер. с англ. Икрамова Х.Д.- М.: Мир, 1980.277 с.

8. Васильева А.Б., Тихонов Н.А. Интегральные уравнения.- МГУ, 1989.- 157с.

9. Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В., Щелчков Г.И. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей М.: Энергоиздат, 1981.- 228 с.

10. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. Фейзулина З.И.- М.: Мир, 1986.- 660 с.

11. Сысоев B.C. Разработка и применение электрогазодинамического струйного генератора для получения заряженного аэрозоля. Дис. на соискание учёной степени кандидата техн. наук.- М.: МЭИ, 1988.- 180 с.

12. Толстоухов Д.А. Разработка высоковольтной импульсной системы формирования акустических полей и методов их исследования. Дис. на соискание учёной степени кандидата техн. наук.- М.: МЭИ, 1996.- 197 с.

13. Лазарев Л.П. ИК и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов.- М.: Машиностроение, 1996.- 567 с.

14. Дейрменджан Д. Рассеяние э/м излучения сферическими полидисперсными частицами.-М,: Мир, 1971.- 165 с.

15. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем.- М.: Машиностроение, 1990.- 431 с.

16. Горелик А.Г. Пути развития зарубежной и отечественной доплеровской радиолокационной метеорологии.- М.: МГАПИ, 1995.- 21 с.

17. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам.- С-П.: БХВ, 1998.- 237 с.

18. Джеррард А., Бёрч Дж.М. Введение в матричную оптику: Пер. с англ. Божкова А.И.- М.: Мир, 1978.- 341 с.

19. Калитиевский Н.И. Волновая оптика.- М.: Высшая школа, 1978.- 348 с.

20. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах.- Л.: Машиностроение, 1989.- 387 с.

21. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде.- М.: Гос. Изд. Технико-теорет. лит.-ры, 1951.- 288 с.

22. Шифрин К.С. Существенная область углов рассеяния при измерении распределения частиц по размерам методом малых углов.- Физика атмосферы и океана, 1966 №9, 928-932 с.

23. Хюлст Ван де Г. Рассеяние света малыми частицами.- М.: Иностранная литература, 1961.-536 с.

24. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат, 1986.- 296 с.

25. Зуев В.Е., Кабанов М.В., Наац И.Э. серия: Современные проблемы атмосферной оптики, т.4 Оптика атмосферного аэрозоля, т.7 Обратные задачи оптики атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат, 1990.- 253, 285 с.

26. Воеводин В.В. Линейная алгебра.- М.: Наука, 1980.- 400 с.

27. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления.- М.: Наука, 1984.318 е.

28. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления т. 1,2.- М.: Наука, 1972.- 456, 576 е.

29. Демидович Б.П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу. С.-П.: Мифрил, 1995.- 489 е.

30. Беклемешев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры.- М.: Наука, 1987.-319 е.

31. Тихонов А.Н. и др. Численные методы решения некорректных задач.- М.: Наука, 1990.- 267 с.

32. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Линейная алгебра.- М.: Наука, 1984.- 294 с. Обратные задачи в оптике. Под ред. Болтса Г.П.- М.: Машиностроение, 1984.- 199 с.

33. Соловьёв П.В. Fortran для ПК (Справочное пособие).- М.: Арист , 1991.222 с.

34. Бугров Я. С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии.- М.: Наука, 1980.- 175 с.

35. Распространение оптических волн в случайно-неоднородной атмосфере. Под ред. Зуева В.Е.- М.: Наука, 1979.- 126 с.

36. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Под ред. Кабанова М.В. М.: Наука, 1986.- 185 с.

37. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. Панова В.А.- Л.: Машиностроение, 1980.- 742 с.

38. Криксунов Л.З. справочник по основам ИК техники.- М.: Советское радио, 1978.- 400 с.

39. Пресс Ф.П. фоточувствительные приборы с зарядовой связью.- М.: Радио и связь, 1991.-264 с.

40. Аксёненко М.Д., Бараночников М.Л. Приёмники оптического излучения.-М.: Радио и связь , 1987.- 296 е.147

41. Справочник по лазерам т. 1,2. Под ред. Прохорова A.M. М.: Сов. Радио, 1978.- 503 с.

42. Справочник по лазерной технике. Под ред. Напартовича А.П.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 543 с.

43. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин. Оптико-электронные квантовые приборы.- М.: Радио и связь, 1982.- 456 с.

44. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев A.JL, Полыциков Г.В. Источники и приёмники излучения.- СПб.: Политехника, 1991.-238 с.

45. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем.- М.: Машиностроение, 1981.- 488 с.

46. Gerber Н. Direct measurment of suspend particulate volume and far-infrared extinction coefficient with a laser-difraction instrument.- Gerber Scientific Inc., Reston, VA 22090-2411,20 pp.

47. Filippov A.V. Charging of aerosol in the transition regime.- Journal of Aerosol Science. Pergamon Press, 1993, V.24 №4.- 423-436 pp.

48. Magill J. On the optimization of acoustic cavities for aerosol conditioning.148

49. Journal of Aerosol Science. Pergamon Press, 1993, V.24 №4.- 437-443 pp.

50. Kwauk X., Debenedett P.G. Mathematical modeling of aerosol formation by rapid expansion of supercritical solutions in a converging nozzle.- Journal of Aerosol Science. Pergamon Press, 1993, V.24 №4.- 445-469 pp.

51. Thomas A., Gebhart J. Correlations between gravimetry and light scattering photometry for atmospheric aerosols.- Atmospheric environment, 1994, V.28 №5,- 935-938 pp.

52. Mulholland G.W., Bryner N.P. Radiometric model of the transmission cell -reciprocal nephelometer.- Atmospheric environment, 1994, V.28 №5.- 873-887 pp.

53. Ulevicius V., Trakumas S., Girgzdys A. Aerosol size distribution transformation in fog.- Atmospheric environment, 1994, V.28 №5.- 795-800 pp.

54. Uhlig E.-M., Stettler M., W. Von Hoyningen-Huene Experimental studies on the variability of the extinction coefficient by different air masses.-Atmospheric environment, 1994, V.28 №5.- 811-814 pp.

55. Nilsson B.A. Model of the relation between aerosol extinction and meterological parameters.- Atmospheric environment, 1994, V.28 №5.- 815-825 pp.

56. Raunemaa Т., Kikas V., Bernotas T. Observation of submicron aerosol, black carbon and visibility degradation in remote area at temperature range from -24 to 20 °C.- Atmospheric environment, 1994, V.28 №5.- 865-871 pp.

57. Спурный К., Йех Ч., Седлачек Б., Шторх О. Аэрозоли. М.: Атомиздат, 1964.-360 с.

58. Справочник ч.1,2 Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Под ред. Калверта С., ИнглундаГ.М. М.: Металлургия, 1998.- 1400 с.

59. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Муравьёва С.И. и др. М.: Химия, 1991. - 364 с.

60. Кривошеин Д.А., Муравей Л.А., Роева Н.Н. и др. Экология и безопасность жизнедеятельности, 2000. 447 с.

61. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений. JL: Химия, 1989. - 288 с.

62. Огородников Б.И. Дисперсность радиоактивных аэрозолей на рабочих местах. М.: Бюллетень ЦОИ по атомной энергии №2/2001. - с. 20-26.

63. Шифрин К.С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию. В кн.: Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. - Минск: Наука и техника, 1971. - с. 228-244.

64. Бартенева О.Д., Башилов Г.Я. О нефелометрическом методе измерения прозрачности атмосферы. Изв. АН СССР. Сер. геофиз., 1961, №4, с. 613150619.

65. Шифрин К.С. Вычисление некоторого класса интегралов, содержащих квадрат бесселевой функции первого рода. М.: Тр. ВЗЛТИ, 1956, вып.2, с. 108-121.

66. Голиков В.И. К исследованию погрешностей оптической системы при фотометрировании индикатрис рассеяния света под двумя углами. Тр. Главн. геоф. обсерват., 1961, вып. 118, с. 51-61.

67. Шифрин К.С., Голиков В.И. Исследование прибора для измерения спектра частиц методом малых углов. Тр. Главн. геоф. обсерват., 1965, вып. 170, с. 127-139.

68. Розенштейн А.З. Оптическая диагностика дисперсных потоков. В кн.: Турбулентные двухфазные течения. - Таллин: Ин-т термофизики и электрофизики АН ЭССР, 1976, с. 190-210.

69. Лепешинский И.А., Эпштейн В.И., Барановский С.И. Измерение дисперсности и концентрации частиц двухфазного потока методом малых углов. В кн.: Турбулентные двухфазные течения. - Таллин: Ин-т термофизики и электрофизики АН ЭССР, 1976, с. 211-223.

70. Ринкевичюс Б.С. Янина Г.М. Определение размеров оптических неоднородностей при помощи допплеровского измерителя скорости. М.: МЭИ, вып. 94, 1971, 64 е.

71. Рязанцев Е. Охрана окружающей среды и энергосбережение, вып.2, 1999.151с. 24-28.

72. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение. М.: Радио и связь, 1995. - 120 с.

73. Русинов М.М. Композиция оптических систем. JI.: Машиностроение, 1989.-383 е.

74. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. -М.: Наука, 1978. 464 е.

75. Макальский JI.M. Оптические методы исследования характеристик аэрозольных систем в сильных электрических полях. Дис. на соискание учёной степени кандидата техн. Наук. М., 1974. — 242 е.

76. Парвулюсов Ю.Б., Солдатов В.П., Якушенко Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1990. - 429 е.

77. Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М.: Энергия, 1974. - 479 е.

78. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов. Л.: Химия, 1974. — 275 е.

79. Леончик Б.И., Маякин В.П. Измерения в дисперсных потоках. М.: Энергия, 1971.-247 е.

80. Малахов В.А., Смирнов В.В. Телевизионный счётчик облачных частиц. -Тр. ИЭМ, 1973, вып.4(38), с 70-93.

81. Беляев С.П., Волковицкий О.А., Гончаров Н.В. и др. Комплекс152лабораторной аппаратуры для изучения аэрозолей. Материалы III Всесоюзной конференции по аэрозолям. - Ереван, 1977. - с. 145-146

82. Жуланов Ю.В., Садовский Б.Ф., Петрянов И.В. использование резонатора He-Ne лазера для повышения чувствительности лазерных аэрозольных спектрометров. Докл. АН СССР, 1975, т.222, №4, с 810-812.

83. Gebhart I., Bol I., Heinze W. a. oth. A particle size spectrometer for aerosol utilizing low-angle scattering of particle in a laser beam. Staub, 1970, vol 30, 5-14 p.

84. Смирнов B.B. Выделение и анализ характерных размеров объектов методами телевизионной автоматики. Техника кино и телевидения, 1970, № 12, с 51-57.

85. Жук И.В., Малахов В.А., Малыхин А.П., Смирнов В.В. Телевизионный счётчик треков осколков деления. Приборы и техника эксперимента, 1975, №3, с 179-181.

86. Бадаев В.В., Георгиевский Ю.С., Пирогов С.М. Об аэрозольном ослаблении в области спектра 0,25-2,2 мкм. Изв. АН СССР. Сер. ФАО, 1975, т. XI, №5, с. 522-525.

87. Шифрин К.С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию. -Минск: Наука и техника, 1971, с. 228-244.

88. Jones Rod М. ISO 13320-А Significant Step in the Harmonization of Particle Sizing by Laser Diffraction. International Labmate Ltd (ILM), Volume XXVI1531.SUE VI. 16 р.

89. Kesners P. Wie gut ist meine Sonnencreme ? Labor Praxis, September 2000. -88-89 pp.

90. Vogel W. Vereinfachte Probenvorbereitong fur die ICP Teil 2. Labor Praxis, September 2000. - 90-92 pp.

91. Мухин Ю.М. Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники.- М.: МЭИ, 1996.- 298 с.94. ж.-л «Светотехника» М.: Знак, 2001 № 2-6, 2002 № 195. ж.-л «Оптика и спектроскопия» М.: Наука, 2001 № 1-6, 2002 № 1-3

92. Голиков В.И. Установка для измерения спектра размеров сферических частиц и капель туманов.- Тр. / Главн. Геоф. Обсерват., 1961, вып. 109, с. 76-89.

93. Доббинс, Крокко, Глассмен Измерение средних размеров частиц струи по дифракционному рассеянию света.- Ракетная техника и космонавтика, 1963, т.1, № 8, с. 157-162.

94. Голиков В.И. Прибор для измерения микроструктуры облаков и туманов методом малых углов.- Тр. / Главн. Геоф. Обсерват., 1964, вып. 152, с. 142159.

95. Голиков В.И. Усовершенствование прибора для измерения микроструктуры методом малых углов.- Тр. / Главн. Геоф. Обсерват., 1971.

96. Keith Sanderson Particle Size Characterization: Instrumental Methods