Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 12, стр. 1690-1693

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена необходимостью тщательного контроля in situ количества воды в заправляемом в самолет авиационном топливе. Вода и авиационный керосин являются несмешивающимися жидкостями, однако некоторое количество воды растворяется в керосине, поступая из окружающей атмосферы. Например, при 21°C и атмосферном давлении насыщенное топливо на основе керосина содержит приблизительно от 40 до 80 (вода) частей на миллион массовых долей (ppm) [1]. При этом вода не считается загрязняющим веществом, пока она находится в растворенном состоянии. Но при изменении внешних условий может произойти конденсация воды в капли, а также прямое попадание воды в топливо, например, конденсата со стенок резервуара, с последующим возможным образованием льда во время полета, что является опасным.

При заправке топлива в аэропортах осуществляется постоянный контроль содержания воды в топливе разными способами, в том числе и оптическими. Оптические методы контроля отличаются быстродействием и точностью, что позволяет использовать их в непрерывном режиме. Сконденсированная вода в керосине образует капли разного размера, на которых может происходить рассеяние света. Хотя допустимое значение содержания сконденсированной воды в керосине достаточно низкое, порядка 10^–5 массовой доли, рассеяние на таких каплях можно зафиксировать. Существуют импортные датчики, основанные на этом принципе [2]. При этом у авторов нет информации относительно отечественных датчиков такого типа, что делает проблему более актуальной.

РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА МЕЛКИХ КАПЛЯХ ВОДЫ В НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ

Рассеяние света на различных объектах хорошо исследовано теоретически. В зависимости от размеров рассеивающего объекта применяются разные теории, в том числе теории Густава Ми и Джона Релея, дифракционный подход. Для частиц размером на порядок больше длины волны рассеивающегося света используется и геометрооптический метод [3]. Экспериментальных работ для интересующего нас случая гораздо меньше, поэтому практическое исследование рассеяния на модельной среде, близкой по оптическим свойствам к авиационному топливу представляет определенный интерес. Из таких работ можно назвать количественный анализ концентрации жира и белка в молоке на основе оптоволоконной оценки интенсивности обратного рассеяния [4]. Однако в отличие от нашей задачи, здесь речь идет о мутной среде. У нас же среда является практически прозрачной, что, помимо качественных различий с упомянутыми работами, дает на несколько порядков меньший оптический сигнал.

В качестве модельной среды для разработки датчика контроля количества воды в авиационном топливе было выбрано рафинированное подсолнечное масло с водой. Масло прозрачно и его показатель преломления близок к показателю преломления керосина (масло – 1.46, керосин – 1.39). Также на практике не трудно создать смеси с необходимым, очень низким содержанием воды. В работе исследовалась зависимость интенсивности рассеянного света от количества воды и угла рассеяния. Целью работы было установление оптимального угла рассеяния и монотонности сигнала рассеяния в зависимости от количества воды.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Массовая доля воды в масле варьировалось от 10 · 10^–6 до 40 · 10^–6. Дробление капель производилось взбиванием бытовым миксером в течение пяти минут, с последующим отстаиванием в течение часа для освобождения смеси от пузырьков воздуха. Масло и вода для смеси отмерялись при помощи медицинских шприцов путем двух последовательных разведений. Определение размеров капель воды проводилось с использованием микроскопа ПоламЛ-213М и цифровой камеры ScopDEC DCM 300 с компьютерным интерфейсом USB 2.0.

Приготовленная среда помещалась в небольшой цилиндрический сосуд без дна, укрепленный на стеклянной подложке оптического качества. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Излучение заводилось через делительный кубик снизу. Источником света являлся гелий-неоновый лазер ГН-5П, мощностью 5 мВт. Мощность излучения, прошедшего через рассеивающую среду, вычислялась по сигналу с фотоприемного устройства на основе фотодиода ФД 24К [5] с чувствительностью 3.33 мкВт/В и равнялась 0.27 мВт. Излучение непрерывного лазера модулировалось частотой 170 Гц механическим прерывателем. Рассеянный свет регистрировался тем же измерителем на основе фотодиода ФД 24К, с временем срабатывания (постоянной времени) 10^–5 с и отклонением линейности, не превосходящим 2%, укрепленным на поворотной оправе. Сигнал с фотоприемника подавался на селективный вольтметр В-6.9, в результате чего чувствительность увеличивалась еще в восемь раз, а быстродействие уменьшалось на два порядка.

Рис. 1.

Схема установки: 1 – гелий-неоновый лазер (ГН-5П); 2 – прерыватель; 3 – фокусирующий объектив (фокусное расстояние F = 16 мм, числовая апертура NA = 0.3); 4 – пинхол (диаметр 0.05мм); 5 – коллимирующий объектив (фокусное расстояние F = = 33 мм, числовая апертура NA = 0.11); 6 – диафрагма (диаметр 2 мм); 7 – светоделительный кубик; 8 – кювета с исследуемой средой; 9 – фотодиодный датчик (ФД-24); 10 – поворотная подвижка.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Размеры капель определялись микроскопом и варьировались в интервале от 8 до 50 мкм. Вид капель в микроскопе и распределение капель по размерам, полученное в результате статистической обработки более 30 фотографий с камеры микроскопа со 160 кратным увеличением, приведены на рис. 2. Как и ожидалось, мелких капель (8 мкм) оказалось гораздо больше, чем крупных (больше 15 мкм). Далее в расчетах использовался размер капель, равный 8 мкм.

Рис. 2.

Статистика капель: вид капель под микроскопом (а); статистика распределения капель по размерам (б), где D – размер капли; N – количество частиц.

Экспериментальные результаты зависимости сигнала датчика, регистрирующего интенсивность рассеянного излучения в зависимости от содержания воды в масле, показаны на рис. 3. Видно, что при угле рассеяния 7.5° наблюдается монотонная зависимость сигнала приемника от концентрации воды в масле, что может позволить определять содержание воды по сигналу рассеяния. Следует отметить, что для углов рассеяния, меньших 5°, наблюдается немонотонная зависимость сигнала рассеяния от массовой доли воды в масле, что требует дальнейшего исследования.

Рис. 3.

Экспериментальные результаты: распределение интенсивности рассеянного света по углу для разной концентрации воды (а); зависимость интенсивности рассеянного света от концентрации воды при угле рассеяния 7.5° (б); сравнение расчетной зависимости интенсивности рассеянного света от угла с экспериментальными данными (в): А – дифракционная составляющая, Б – геометрооптическая составляющая, В – суммарная кривая, Г – экспериментальные результаты с массовой долей воды 40 · 10^–6.

Можно предположить, что вклад в рассеяние дает как дифракция, так и преломление [6]. Сравнение результатов расчетов, полученных на основе формул, приведенных в [6], с нашими экспериментальными результатами показало удовлетворительное качественное согласие (см. рис. 3в).

Полученные данные показывают, что сигнал приемника резко спадает с характерными неоднородностями на несколько порядков при изменении угла рассеяния до 20°, что только и можно считать совпадением с расчетами. Так как условия эксперимента существенно отличаются от теоретических (близкое расположение фотоприемника по сравнению с протяженностью рассеивающей области), происходит усреднение по разным углам рассеяния и эти особенности гораздо слабее выражены. В доступных нам источниках конфигурация, соответствующая нашему эксперименту, не рассматривалась. Не анализировалась теоретически и схожая с нашей схема фирмы FAUDI [2], причем как самой фирмой, так и другими исследователями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе полученных экспериментальных результатов установлено, что при угле рассеяния 7.5° наблюдается монотонная зависимость сигнала приемника от количества воды, что подтверждает возможность разработки отечественного датчика контроля содержания свободной воды в несмешивающейся жидкости для достаточно низкой концентрации 10–40 ppm.