2.Физические принципы построения вод

Наиболее важным вопросом при проектировании ВОД является рациональный выбор подходящего физического явления и конкретной схемы его регистрации. Дадим краткое описание эффектов и явлений, применяемых в ВОД [10,15].

Пирометрия совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения тел (иногда поглощения). Поскольку интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры Т тел, методы пирометрии применяют для измерения относительно высоких температур. При t, 1000_5o C они играют в целом второстепенную роль, при t > 1000_5o C становятся главными, а при t > 3000_5o _0C практически единственными методами измерения температуры. Связано это с тем, что методы пирометрии не требуют контакта датчика с телом, температура которого измеряется. Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и нагревательных установках, температуру расплавленных металлов, проката, пламени, нагретых газов, плазмы. Основное условие применимости методов пирометрии: излучение тела должно быть тепловым, т.е. подчиняться закону излучения Кирхгофа. Твердые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов необходима специальная проверка его выполнения.

Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами. Применяют яркостные, цветовые и радиационные пирометры.

Наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 10_53... 10_54 К обеспечивают яркостные пирометры, которые основаны на сравнении излучения нагретого тела в одном определенном спектральном участке с излучением черного тела с той же длиной волны.

В момент выравнивания яркостей прибор показывает яркостную температуру тела.

Методы оптической пирометрии являются особенно подходящими, когда условия эксперимента не позволяют использовать классические термометрические датчики. К таким условиям относятся:

очень высокие температуры (свыше 2000_5 о_0С) и измерения на большом расстоянии;

очень агрессивная окружающая среда (химическая промышленность;

материалы, плохо проводящие тепло (пластмассы, стекла, дерево);

движущиеся тела (например, листовой материал в прокатном стане).

Когда температура исследуемого объекта неравномерна, оптическая пирометрия позволяет получить карту распределения температур (термография).

Люминесценция излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний.

Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения. Тепловое излучение в видимой области спектра заметно только при температуре тела в сотни и тысячи градусов, в то время как люминесцировать оно может при любой температуре, поэтому люминесценция часто называется холодным свечением.

Вторая часть определения (признак длительности) отделяет люминесценцию от различных видов рассеяния света, отражения света, параметрического преобразования света, тормозного излучения и излучения Черенкова Вавилова. При люминесценции между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность которых больше периода световой волны. В результате этого при люминесценции теряется корреляция между фазами колебаний поглощенного и излученного света.

По длительности свечения различают флуоресценцию (быстро) и фосфоресценцию (медленно затухающую люминесценцию). Излучение люминесценции лежит в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Излучение ЧеренковаВавилова это излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при ее движении в среде с постоянной скоростью q, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость распространения световых волн qф_0).

Условие возникновения излучения и его направленность могут быть пояснены с помощью принципа Гюйгенса. Каждую точку А, В, С и D на траектории c движения заряженной частицы (рис.5) следует считать источником волны, возникающей в момент прохождения через нее частицы. В оптически изотропной среде такие парциальные волны будут сферическими, распространяющимися со скоростью qф=c/n, где n показатель преломления среды. Допустим, что частица, двигаясь равномерно и прямолинейно со скоростью q, в момент наблюдения t=t находилась в точке Е. За время t до этого частица проходила через точку А (АЕ=q t). Волна, испущенная из А, к моменту наблюдения представится сферой радиуса R=qф t. На рис.5 ей соответствует окружность 1, а волнам, испущенным из В, С и D, окружности 2, 3 и 4.

По принципу Гюйгенса в результате интерференции парциальные волны гасят друг друга всюду за исключением их общей огибающей, которой соответствует волновая поверхность света, распространяющегося в среде.

Пусть q<qф (рис.5,а), тогда световые волны будут обгонять частицу на тем большее расстояние, чем раньше они испущены. Общей огибающей парциальные волны при этом не имеют все окружности 1,2,3 и 4 лежат одна внутри другой. Следовательно, при равномерном и прямолинейном движении со скоростью q _0< qф электрический заряд свет не испускает.

Если же частица движется быстрее, чем распространяются световые волны q _0> q ф=c/n, то соответствующие волнам сферы пересекаются (рис.5,б). Общая огибающая (волновая поверхность) представляет собой конус с вершиной в точке Е, совпадающей с мгновенным положением частицы. Нормали к образующим конуса определяют волновые векторы, т.е. направления распространения света.

Угол Q, который составляет волновой вектор с направлением движения частицы (рис.5,б), удовлетворяет условию cosQ _0=qф_0/q _0=c/n q_0.

В оптически изотропной среде частица с зарядом е, прошедшая расстояние в 1 см со скоростью q _0> qф, излучает энергию

Э _=2 w 2_01 2_0dw,

с_52 1 [_0q_52 n_52 (w_0) ]

где w _0=2p_0c/l круговая частота света. Подынтегральное выражение отражает распределение энергии в спектре излучения ЧеренковаВавилова.

Рис.5. Движение заряженной частицы в среде

В жидкостях и твердых веществах условие q > qф начинает выполняться для электронов уже при энергиях 100 кэВ, для протонов, масса которых в ` 2000 раз больше электронной, при энергия 100 МэВ.

Поглощение уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через среду, заполненную веществом. Основным законом, описывающим поглощение, является закон Бугера J=Jo exp (kп l), связывающий интенсивность пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l, с интенсивностью падающего пучка Jo. Не зависящий от интенсивности света Jо коэффициент kп называется показателем поглощения. Зависимость kп от длины волны света называется спектром поглощения вещества.

В случае, когда свет поглощается молекулами вещества, растворенного в практически не поглощающем растворе, или молекулами газа, коэффициент kл оказывается пропорциональным числу поглощающих молекул на единицу длины пути световой волны, или, что то же, на единицу объема, заполненного проходящим светом, т.е. пропорционален концентрации С. Тогда закон поглощения (закон Бугера Ламберга Бера) принимает вид

J=Jо exp (kп _0С _0l),

где kп коэффициент, характерный для молекулы поглощающего вещества.

Сорбция поглощение твердым телом или жидкостью (сорбентом) жидкого вещества или газа (сорбата) из окружающей среды. Поглощение вещества из газовой фазы всем объемом жидкого сорбента называется абсорбцией, поглощение вещества поверхностным слоем сорбента адсорбцией. Поглощение вещества из газовой фазы всем объемом твердого тела или расплава называется окклюзией. Извлечение из жидкости какоголибо компонента другой жидкостью называют экстракцией. При сорбции паров пористыми телами может происходить капиллярная конденсация. Обычно одновременно протекает несколько сорбционных процессов.

Преломление_1 _3света изменение направления распространения оптического излучения при его прохождении через границу раздела двух сред (см. рис.2). На протяженной плоской границе раздела однородных изотропных прозрачных (непоглощающих) сред с показателями преломления n1 и n2 преломленный свет лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к поверхности раздела. Углы падения Q и преломления J _0связаны законом преломления Снелля (1).

Двойное лучепреломление раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду (например, кристалл), обусловленное зависимостью преломления показателя этой среды от направления электрического вектора световой волны. При попадании световой волны на анизотропную среду в ней возникают две волны с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации (рис.6).

Рис.6. Явление двойного лучепреломления в кристалле

В одноосных кристаллах одна из волн имеет плоскость поляризации, перпендикулярную главному сечению, т.е. плоскости, проходящей через направление луча света и оптическую ось кристалла (обыкновенный луч), а другая плоскость, параллельную главному сечению (необыкновенный луч). В отличие от обыкновенного луча скорость распространения и показатель преломления ne необыкновенной волны зависят от направления ее распространения.

Отражение света явление, заключающееся в том, что при падении света из первой среды на границу раздела со второй средой (см. рис.2) взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачной для падающего и отраженного излучения.

Отражение света от поверхности менее плотной среды (n2 < n1_0) при sinQ. n2 /n1 является полным внутренним отражением, при котором вся энергия падающего пучка лучей возвращается в первую среду.

Интерференция света пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.

В случае сложения двух гармонических волн одинаковой частоты при совпадении направления (поляризации) колебаний в различных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей амплитуды световых колебаний

A=? A1_52+A2_52+2 A1 A2 cosJ

в зависимости от разности между фазами колебаний J световых волн в этих точках. Здесь А1 и А2 амплитуды слагаемых волн. Наибольшая величина амплитуды результирующего колебания, равная А1 _0+_0А2_0, достигается при разности фаз J _0=_02p_0n _0(n целое число), а наименьшая, равная А1 А2_0, при J _0=p_0(2n+1). Если волны когерентны, то разность фаз J остается неизменной в данной точке.

Интерференционные датчики применимы для регистрации изменения оптической длины волокна или оптической толщины пластины, зависящей от параметров окружающей среды.

Измерительный прибор, основанный на интерференции волн, называется интерферометром. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и величиной, которая непосредственно измеряется.

Магнитострикция свойство тела изменять свою форму и размеры при намагничивании. В кристаллах ферромагнетиков магнитострикция носит анизотропный характер и проявляется главным образом в изменении формы кристалла при очень малом изменении его объема.

Магнитострикция оценивается обычно значением относительного удлинения кристалла коэффициентом магнитострикции D_0l/l. Здесь l длина намагничиваемого образца, а D_0l ее изменение при намагничивании. Относительное удлинение образца в направлении поля характеризуется коэффициентом продольной магнитострикции, а перпендикулярно полю коэффициентом поперечной магнитострикции. Для металлов и большинства ферромагнитных сплавов продольная и поперечная магнитострикции имеют различные знаки, причем величина поперечной магнитострикции меньше, чем продольной. В зависимости от напряженности и намагниченности поля величина и знак магнитострикции меняются.

Магнитооптический эффект Фарадея вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество.

Под действием магнитного поля показатели преломления (n+_0 и n_0) для циркулярно право и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого при прохождении через среду вдоль магнитного поля линейно поляризованного излучения его циркулярно лево и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны, прошедшего в среде путь l, поворачивается на угол

Q=p_0l (n+n_0)/l.

В области не очень сильных магнитных полей разность (n+n_0) линейно зависит от напряженности магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением Q=VВ H l, где постоянная Верде VВ зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.

Фотоупругость (пьезооптический эффект) возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах (в т.ч. полимерах) под действием механических напряжений. Фотоупругость следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации, проявляемая в виде двойного лучепреломления и дихроизма. При одноосном растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия.

Фотоупругость обусловлена деформацией электронных оболочек атомов и молекул и ориентацией оптически изотропных молекул, а в полимерах раскручиванием и ориентацией полимерных цепей.

Для малых одноосных растяжений и сжатий выполняется соотношение

Dn=kБр P,

где D_0n величина двойного лучепреломления (разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн); Р напряжение; kБр упругооптическая постоянная Брюстера.

Электрооптический эффект Поккельса изменение показателя преломления света в кристаллах, помещенных в электрическое поле, пропорциональное напряженности приложенного поля. Как следствие этого эффекта, в кристаллах появляется двойное лучепреломление или меняется его величина. Эффект Поккельса наблюдается только у пьезоэлектриков.

Эффект Доплера изменение частоты колебания w или длины волны l_0, воспринимаемой наблюдателем, при движении наблюдателя и источника колебаний относительно друг друга.

Для движения с произвольными скоростями в однородных средах необходимо учитывать угол f между скоростью V и волновым вектором K излучаемой волны, а также принимать во внимание эффект релятивистского замедления времени. В этом случае

где qф фазовая скорость волнового возмущения с частотой w, распространяющегося в среде в направлении f_0.

При удалении источника от наблюдателя принимаемая частота уменьшается (величина скорости V отрицательна).

Эффект Доплера имеет чисто кинематическое происхождение и возникает как для волновых, так и неволновых движений любой природы при наблюдении их в двух движущихся относительно друг друга системах отсчета. При f=0 или p наблюдается продольный эффект

Доплера. Здесь источник движется прямо на наблюдателя или от него, и изменение частоты максимально. При f=p/2 имеет место поперечный эффект, который связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени и не имеет никакой волновой специфики (в частности, не зависит от фазовой скорости волны qф).