METHOD OF FLUCTUATIONS OF TRANSPARENCY FOR MEASUREMENT OF CONCENTRATION AND THE SIZES OF PARTICLES OF THE WATER SUSPENSION

Суторихин И.А.¹, Букатый В.И.², Залаева У.И.³, Акулова О.Б.⁴

^1,2доктор физико-математических наук, профессор; ^3,4аспирант, Институт водных и экологических проблем СО РАН, Россия, 656038, Барнаул, ул. Молодёжная, 1

 

МЕТОД ФЛУКТУАЦИЙ ПРОЗРАЧНОСТИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ВОДНОЙ ВЗВЕСИ

Аннотация

Для решения задачи сохранения чистоты и высокого качества водных экосистем необходимы разработки новых методик и создание приборов − экспериментально-вычислительных комплексов, задача которых − измерение концентрации и размерного состава взвешенного в воде вещества. Целью работы является экспериментальное определение среднего размера и средней концентрации частиц взвеси (в пробах воды мезокосма) оптическим методом флуктуаций прозрачности.

Ключевые слова: прозрачность, взвесь, концентрация и размер частиц, флуктуации.

Sutorikhin IA¹, Bukaty VI², Zalaeva UI³, Akulova OB⁴

^1,2Ph. D. of Physics and Mathematics, Professor; ^3,4Postgraduate student, Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Russia, 656038, 1, Molodezhnaya St., Barnaul,

METHOD OF FLUCTUATIONS OF TRANSPARENCY FOR MEASUREMENT OF CONCENTRATION AND THE SIZES OF PARTICLES OF THE WATER SUSPENSION

Abstract

Development of new techniques and creation of devices − the experimental computer systems, which task − measurement of concentration and dimensional structure of the substance weighed in water is necessary for the solution of a problem of preservation of purity and quality water ecosystems. The objective of this document is experimental determination of the average size and average concentration of suspended particles (in water mesocosm tests) optical method of fluctuations of transparency.

Keywords: transparency, suspension, concentration and particle size, fluctuations.

Оптический метод флуктуаций заключается в одновременном измерении прозрачности воды и дисперсии интенсивности прошедшего через нее излучения, что позволяет определить средний размер и концентрацию частиц водной взвеси. Наблюдения по измерению прозрачности показывают, что если частиц в световом пучке сравнительно не много, то она испытывает заметные флуктуации. Данные флуктуации вызваны случайными перемещениями частиц. Этот метод многими авторами [1, 2] проверялся на модельных взвесях в водных системах со сферическими и не сферическими частицами, например, в [1] описаны эксперименты со спорами ликоподия диаметром 27-32 мкм, взвешенными в воде (погрешность измерений составила около 20 %).

Нами была разработана и реализована принципиальная схема лабораторного комплекса на основе метода флуктуаций прозрачности. В качестве источника излучения  использовался полупроводниковый лазер  с длиной волны λ₀ = 0,64 мкм, с диаметром выходного пучка 2,5 мм.  Слаборасходящийся лазерный пучок направлялся в кювету  с водой. Измерение интенсивности прошедшего  излучения производилось с помощью фотодиодной линейки, сигнал с которой поступал на ЭВМ  и обрабатывался специальной программой, разработанной в среде Lab View. Используя данный комплекс проводились измерения интенсивности излучения лазера,  прошедшего через кювету. Объектом исследования для градуировки установки и апробации метода служили частицы ликоподия, взвешенные в дистиллированной воде. Было проведено 6 серий измерений интенсивности прошедшего излучения, в каждой серии регистрировалось 10 значений интенсивности с интервалом в 5 с. Среднее  значение оптической толщи τ = 1,2, что согласно [2] соответствует минимальному значению погрешности измерения. При этом флуктуации частиц были вызваны преимущественно броуновским движением. Расчет скорости седиментации и броуновского движения для частиц с плотностью ρ = 2 г/см³ был выполнен по формулам, представленным в работе [3]. По результатам эксперимента средний радиус ликоподия частиц  составил  12,6 мкм,  погрешность в определении размеров частиц равна 13,2%. Полученный результат сравнивался с данными, полученными микроскопическим методом, в соответствии с которым, радиус данных частиц составил (14,5±2) мкм, а их средняя концентрация равна 3,3×10⁴ см^-3. С помощью диффузионного спектрометра аэрозолей ДСА-21 был оценен вклад частиц аэрозоля, присутствовавших в установке, а так же определены их размеры и концентрации. На основании экспериментов был сделан вывод, что концентрация частиц аэрозоля, размеры которых более чем 0,2 мкм, значительна,  и они могут вносить погрешность в измерения.

После градуировки и апробации метода  на лабораторном комплексе были проведены измерения размеров и концентрации частиц в мезокосме на глубине 0,5 м. Проведены 4 серии измерений интенсивности прошедшего через изучаемую среду излучения, в каждой серии регистрировались 10 значений с интервалом в 5 с. Получены следующие результаты: радиус  частиц на глубине 0,5 м составил 1,8 мкм, а средняя концентрация частиц придонного слоя − 2,9×10⁵ см^-3.  При использовании  микроскопического метода среднеарифметический радиус был  равен 1.01 мкм.

Таким образом, полученные экспериментальные результаты позволяют заключить, что оптический метод флуктуаций прозрачности уже сейчас представляет исследователям широкие возможности не только сопоставления оптических характеристик различных модельных и природных экосистем, но и оценки качества воды в целом.

Литература

1. Шифрин, К.С. Введение в оптику океана /К.С. Шифрин. − Л.: 1983.− 279 с.

2. Шифрин, К.С. Определение характеристик Дисперсной среды по данным ее прозрачности /К.С. Шифрин, Б.З. Мороз, А.Н. Сахаров. // ДАН СССР. 1971. − Т. 199. №3. − С. 581 – 598.

3. Dr. Alan Rawle, The basic principles of particle size analysis /R. Alan //Malvern Instruments Ltd. 2009. – 11 p