Способ измерения поверхностной концентрации аэрозоля

Способ измерения поверхностной концентрации аэрозоля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХ- НОСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЯ путем ионной зарядки потока аэрозольных частиц в электрическом поле и последующего измерения их заряда, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения за счет устрзнения влияния диффузионной составляющей заряда , поток аэрозоля разделяют на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую, причем для обеих частей потока поддерживают одинаковые значения параметра зарядки, определяемого как произведение абсолютной величины ионной производимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений заряда обеих частей потока.

СООЭ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК,SU.„111

3 @ G 0! N 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВ ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3578461/18-25 (22) 15. 04.83 (46) 15.09.84 Бюл. . 34 (72) Б.И. Попов, A. И.Дормидонов, Б.Ю.Кольцов и И.И.Леонов (» ) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 543. 275 (088.8) (56) 1. Клименко А. П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли.

M., "Химия", 1978, с. 63-68.

2. Авторское свидетельство СССР

tt 385205, кл. G 01 N 15/00, 1973.

3. Мапойлов В.Е. и др. Приборы контроля окружающей среды. М., Атомиздат, 1980, с. 106-108 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХ

НОСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЯ путем ионной зарядки потока аэрозольных частиц в электрическом поле и последующего измерения их заряда, отличающийся тем, что, с целью повьпнения точности измерения за счет устранения влияния диффузионной составляющей заряда, поток аэрозоля разделяют на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую, причем дпя обеих частей потока поддерживают одинаковые значения параметра зарядки, определяемого как произведение абсолютной величины ионной производимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений заряда обеих частей потока °

1113712

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для определения поверхностной концентрации аэрозоля и может быть использовано в различных отраслях. 5 науки и техники для оценки концентрации пыли, распыленных порошков и жидких аэрозолей.

Известен способ измерения поверхностной концентрации аэрозоля по !О интегральному светорассеянию, заключающийся в освещении аэрозольного потока пучком света и регистрации рассеиваемого аэрозольными частицами света фотометром, установленным под углом к первоначальному направлению светового потока. Интенсивность светорассеяния при размере частиц, значительно превышающем длину волны светового излуче- 20 ния, пропорциональна квадрату радиуса каждой частицы и, следовательно поверхностной концентрации аэрозоля в освещаемом объеме 513.

Недостатком данного способа яв- 25 ляется зависимость точности определения поверхностной концентрации от дисперсного состава аэрозоля. При размере аэрозольных частиц, меньшем длины волны излучения, интенсивность З0 светорассеяния пропорциональна шестой степени радиуса. Таким образом, наличие в аэрозоле частиц размером менее 1 мкм ведет к резкому воэрастанию погрешности измерения поверхностной концентрации.

Известен способ определения поверхностной концентрации частиц, заключающийся в зарядке потока аэро40 зольных частиц в поле коронного разряда и регистрации изменения коронного тока (.21.

К недостаткам укаэанного способа следует отнести погрешности измерения, связанные с флуктуациями корон45 ного тока, которые приводят к уменьшению отношения сигнал-шум и точнос ти определения при измерении малых концентраций аэрозоля.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения поверхностной концентрации включающий ионную зарядку аэрозольных частиц в электрическом поле с последующим измерением их заряда. Измерение заряда частиц производят вне зоны зарядки ГЗ).

При ионной зарядке частиц в электрическом поле общий заряд q складывается из ударной (полевой) составляющей о„ и диффузионной составляющеи qã

Ч=Ч„+Ч, (1)

Заряд q приобретаемый каждой

1 частицей в электрическом поле, принимают пропорциональным напряженности поля Е в зоне зарядки и квадрату радиуса r частицы, т.е. пропорциональным ее поверхности

q„= Л.Ет2, (2) где д„— постоянная ударной (полевой) зарядки.

Таким образом, измеряемый суммарный заряд единицы объема аэрозоля считают пропорциональным ее поверхностной концентрации.

Составляющая заряда q2 однозначно определяется произведением ионной

Недостатком прототипа является невысокая точность измерения концентрации частиц с размером менее

1 мкм, обусловленная тем, что в суммарный заряд вносит вклад диффу" зионная составляющая зарядки, величина которой не пропорциональна поверхности частицы и является источником погрешности при измерении.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния диффузионной составляющей заряда частиц на результат измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерениЮ поверхностной концентрации аэрозоля, включающему ионную зарядку потока аэрозольных частиц в электрическом поле с последующим измерением их заряда, поток аэрозоля разделяют на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую причем для обеих частей потока поддерживают одинаковое значение параметра зарядки, определяемого как произведение абсолютной величины ионной проводимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений заряда обеих частей потока. (3) q>=GRAF(ct) r, где Л вЂ” постоянная диффузионной зарядки.

Эта составляющая не пропорциональна поверхност,i частиц и является источником погрешности при измерении поверхностной концентрации.

В сильном электрическом поле для частиц размером более 1 мкм доля диффузионной составляющей с пре 2 небрежимо мала. Однако для частиц размером десятые доли мкм обе состав- 15 ляющне соизмеримы, а для частиц еще меньшего размера диффузионная составляющая q превышает ударную О. .

Это обуславливает значительную погрешность измерения поверхностной концентрации аэрозоля при наличии в нем частиц размером менее 1 мкм.

Принципиальное отличие предлагаемого способа от способа выбранного в качестве прототипа, заключается 25 в том, что поток аэрозоля делят на две части, каждую из которых подвергают зарядке при одинаковых значениях параметра зарядки ct, но различной для каждой из частей напряженности поля Е. Одинаковое для каждой из частей значение параметра

ct обеспечивает равенство диффузионных составляющих зарядов частиц одинакового размера. В то же время составляющие ударной зарядки, пропорциональные поверхности частиц, различны вследствие неодинаковой напряженности поля . Поэтому разность абсолютных значений зарядов одинако- 40 вых объемов аэрозоля двух частей потока пропорциональна только поверхностной концентрации в широком диапазоне размеров частиц.

20

Таким образом, предлагаемая сово- 45 купность операций позволяет обеспечить однозначную связь измеряемого заряда аэрозоля с его поверхностной концентрацией, в том числе и для аэрозоля с размером частиц менее

1 мкм.

На фиг. изображено устройство, в котором поток аэрозоля разделяется на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают 55 при большей напряженности поля, чем другую, причем произведение ct поддерживают постоянным, на фиг. 2 з 11137 проводимости с газа на время зарядки и радиусом r частицы!

2 4 устройство, в котором разделение части потока аэрозоля заряжаются ионами разных знаков, а естественный заряд частиц аэрозоля нейтрализуется на входе устройства, на фиг. 3 устройство, в котором зарядка частиц производится при переменной напряженности поля .

В устройстве на фиг. 1 воэдуховод 1 разделен на две части проводящей перегородкой 2. В обеих частях воздуховода установлены последовательно по потоку двухсекционные зарядные камеры 3.1 и 3.2 и измерительные электроды 4 .1 и 4.2. В каждом измерительном электроде установлены коллекторы заряженных частиц 5.1 и 5.2, например аэрозольные фильтры. Электроды 4.1 и 4.2 подключены к электрометрам 6.1 и 6.2.

Зарядные камеры 3.1 и 3.2 состоят иэ секций коронного разряда и зарядных секций, разделенных сетчатыми электродами 7. 1 и 7.2, к которым подведены потенциалы ф и ф . Зал тл рядные секции образованы проводящей перегородкой 2 и электродами 7.! и 7.2. В секциях коронного разряда установлены коронирующие электроды

8.1 и 8.2 в вице тонких проволок, на которые поданы потенциалы и .

Перегородка 2 подключена к корпусу устройства через измеритель тока 9.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый поток аэрозоля пропускают через воэдуховод 1. С помощью перегородки 2 его разделяют на две части с фиксированным расходами у,и,, в общем случае не равными друг другу. Соотношение .расходов

М< и И определяется гидродинамическими сопротивлениями частей воздуховода 1. Частицы аэрозоля каждой части потока, проходя через эоны зарядки камер 3.1 и 3.2, приобретают электрические заряды.

Электрические поля в зонах зарядки направлены в поперечном потоку направлении, их напряженности не равны друг другу, например, Е4 ï Е2 где и> 1. Напряженности поля Е4 и Е2 однозначно определяются потенциалами

Р„и „ и расстоянием от электродов 7.1 и 7.2 до перегородки 2. Нсточниками ионов являются коронирующие электроды 8.1 и 8.2, к которым приложены потенциалы и ф пре-

5

I вышающие напряжение зажигания коронного разряда. Знак потенциалов ф и определяет полярность генерируемых ионов, в рассматриваемом устройстве она может быть любой.

Одинаковое значение параметра зарядки ct. для обеих частей потока обеспечивают заданием потенциалов

Ц и ф . Время зарядки t определяется отношением длины зоны зарядки 10 к скорости частицы, движущейся с потоком, ионная проводимость с отношением плотности ионного тока

1113

59

По известным фиксированным значе. ниям расходов /„и g> определяют разность абсолютных значений зарядов единичных объемов аэрозоля. Согласно формулам (4) и (5) она определя«е5 ется выражением — - — =2 CE -Е21фЕ(уМг

Я1 92»

% %r (6) в зоне зарядки к напряженности поля.

При одинаковых геометрических размерах зарядных камер 3. 1 и 3.2 и одинаковых скоростях потока в обеих частях воздуховода 1 прикладывают потенциалы ф и ф, при которых выполняется соотношение для токов 10 в цепи перегородки 2- „= е1 32. Токи

3„и 1 контролируют измерителем тока 9. В процессе измерения значения параметра с1 поддерживают постоянными, питая электроды 7.! и 7.2

8. 1 и 8 .2 стабилизированным напряжением. Благодаря одинаковым значениям параметра Ct частицы равного размера имеют на выходах зарядных камер 3. 1 и 3.2 одинаковые диффу- ЗО зионные составляющие заряда и разные ударные составляющие. Заряженные частицы из обеих частей потока осаждают на коллекторах 5. 1 и 5.2. Суммарные заряды осевших на коллекторах частиц измеряют с помощью электродов 4.1 и 4.2 электрометрами 6.1 и 6.2. Заряды 22 u QZ .акопленные па коллекторах 5.1 и 5.2 в единицу времени, определяются выражениями

С22 ОО

Q, (А,Е,N(rгЮс22 3 ECd)MfrtCr)с 2)%„, (22) о о 1

@г (ХгЕ2М/2 ECr)dr 3 2ÃCÑEI×/22Cr)2tr)EE2,(5! о О 2

,45 где N — счетная концентрация частиц

f (г) — плотность распределения вероятностей размеров частиц.

712

Поскольку поверхностная концентрация !

ОО аэрозоля М 4дй Ы ®юг то согласО г P но (6)е разность абсолютных значений зарядов обеих частей потока пропорциональна поверхностной концентрации во всемдиапазоне возможных размеров частиц при указанных режимах зарядки, В устройстве на фиг. 2 воздуховод

1 разделен на две равные части перегородкой 2 лишь в зоне зарядки. Измерительный электрод 4, подключенный к электрометру 6, и коллектор 5 общие для обеих частей потока. Зарядные камеры 3, электроды 7 и 8 и измеритель тока 9 включены аналогично устройству на фиг. 1. На входе воэдуховода установлен нейтрализатор

10 естественного заряда исследуемого аэрозоля, например, радиоизотопный источник ионов.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый аэрозоль пропускают через нейтрализатор 1О естественного заряда. Изотоп, являющийся источником биполярных ионов, обеспечивает нейтральный заряд аэрозольных частиц, поступающих в зарядные камеры 3.1 и 3.2. Этим достигаются одинаковые начальные условия зарядки положительными и отрицательными ионами в разных частях потока. Поток разделяют на две части с равными расходами Vj при помощи проводящей перегородки 2.

На электроды 7.1 и 8.1 подают потенциалы е „и g< положительной полярности, на электроды 7.2 и 8.2 потенциалы ф и отрицательной полярности. Потенциалы 4 и Pz поддерживают постоянными, но не равными друг другу по абсолютной величине. Токи в цепи перегородки 2 задают установкой потенциалов и таким образом, что их отношение пропорционально отношению потенциаЛов и ф„, а следовательно, и напряженностей поля в обеих зонах за рядки. Этим обеспечивается одинаковость параметра с для обеих частей потока, которые затем объединяются.

Раэнополярные заряженные частицы осаждаются иэ потока на коллекторе 5. Заряд, наведенный на электро— де 4, равен алгебраической сумме зарядов, накопленных на коллекторе

5. Поскольку расходы в обеих частях потока одинаковы, то измеренный

11 электрометром 6 заряд является разностью абсолютных значений заряда разных частей потока. Сигнал на выходе электрометра 6 не требует обработки, так как непосредственно определяется выражением (6) и пропорционален только поверхностной концентрации аэрозоля.

В устройстве на фиг . 3 воздуховод 1 разделен на равные части перегородкой 2 в зоне зарядки. Общий измерительный электрод 4 выполнен в виде индукционной камеры, электрометр 6 представляет собой избирательный усилитель, а на электроды 7.1 и 7 ° 2, 8.1 и 8.2 поданы периодически изменяющиеся во времени потенциалы, и ф, и Ч 2 одной полярности. Зарядные камеры

3.1 и 3.2, а также измеритель тока

9 включены аналогично устройству на фиг. 1.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый поток аэрозоля разделяют на две равные части с одинаковыми расходами ф . Потенциалы

9< и pq на электродах 7.1 и 7.2 синхронно изменяют по периодическому закону + (+Т) во времени. При этом периодически изменяются напряженности поля F., и F в зарядной секции каждой из камер 3.1 и

3.2. Для обеспечения постоянства параметра зарядки Ct одновременно изменяют потенциалы и ф2 на электродах 8.1 и 8.2. При подаче на электроды 7.1 и 7.2, 8.1 и 8.2 импульсов высокого напряжения прямоугольной формы достаточно обеспечить постоянство параметра зарядки С для двух значений потенциалов, и

Это осуществляют заданием потенциалов ф и от стабилизированных импульсных источников питания. После зарядки обе части потока объединяют, пропускают через

13712 8 общий индукционный измерительный электрод 4 и регистрируют индукцируемый заряд на этом электроде.

Суммарный заряд Я. единицы объема потока после зарядки согласно формулы (4) и (5) равен.Rp23zfCet)Nf«ff«)«4 л,й, е.1+(т) ° о

° Nf«1f(щ«У о (7) где 1f (t+T) — периодическая функция изменения напряженнос15 ти, Т вЂ” период изменения напряженности.

Так как диффузионный заряд, учитываемый первым слагаемым в правой

20 части выражения (?) не изменяется в процессе измерения, то он не регистрируется электрометром 6, также как и постоянный по величине естественный заряд исследуемого аэрезоля.

Переменная составляющая сигнала

Я электрометра 6, определяемая ударной составляющей заряда, изменяется во времени по закону а -х„(в„*«,1 (t «)tttr ff«)+«<81

Из формулы (8) следует, .что переменная составляющая сигнала пропорциональна только поверхностной кон центрации аэрозоля. Для выделения переменной составляющей электрометр

6 настроен на частоту 1 = 1/Т.

Таким образом, во всех вариантах способа повьппается точность измерения поверхностной концентрации аэро40 золя вследствие устранения влияния диффузионной составляющей заряда частиц на результат измерения.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения поверхностной концентрации аэрозоля в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм до нескольких сотых долей мкм.

1113712

1113712

Папок азрозоля

1113712

Составитель Д.Громов

Редактор А Гулько Техред И.Асталош Корректор М.Максимишинец

Заказ 6610/36 . Тира к 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., д .4/5 I

Филиал ППП "Патент™, r Уигород, ул. Проектная, 4