Способ измерения размеров и счетной концентрации аэрозольных частиц

Оп ИКАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 01.0476 (21) 2343587/18-25 Союз Советских Социалистических Республик(53)М. Кл. с приСоединением заявки Мо -6 01 И 15/02 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОЬ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ И СЧЕТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Изобретение относится к электромагнитным бесконтактным способам измерения размеров частиц и может быть использовано также для измерения счетной концентрации и скоростей частиц в потоках.Известен способ 1) измерения размеров и счетной концентрации частиц, заключающийся в том, что исследуемый поток освещают параллельным пучком монохроматического света, а размеры и счетную концентрацию частиц определяют из расчетных формул, выведенных иэ теории Ми, по измеренным интенсивностям рассеянного частицами света под углами от 0 до 3 относительно проходящего пучка света.Этим способом измеряют размеры .частицы в диапазоне 2-300 мкм с большой погрешностью (30) из-за приближенного вывода расчетных Формул и неточного измерения интенсивностей света. Способ трудно реализовать в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях. К недостаткам способа относится также низкая точность измерения счетной концентрации частиц.Известен способ детектирования дисперсных частиц в процессе химичес кой реакции 2), заключающийся в том,что в сосуде для химических реакцийустанавливают на заданном расстояниидве электродные пластины. Конденсатор, образованный этими пластинами,и катушка, подключенная к нему снаружи сосуда составляют резонанснуюцепь, к которой прикладывают высокочастотный сигнал от генератора частоты, При наличии дисперсных частиц изменяется диэлектрическая проницаемость между электродными пластинами,что Фиксируется посредством вольтметра, измеряющего напряжение междуклеммами резонансной цепи,Способ не позволяет измерять размеры частиц и их концентрацию в силумалогО влияния массы вещества однойчастицы, находящейся между электродными пластинами, на частоту колебаний резонансного контура.Наиболее близким к предложенномуявляется способ измерения количествачастиц по изменению параметров электрического колебательного контура,содержащего конденсатор и катушку индуктивности, согласно которому межцуобкладками конденсатора пропускаютпоток аэрозоля, а колебания контуразадают генератором частоты 3).Если в цепи электрическо 1 Ь колебательного контура находится конден сатор, а месяцу его обкладками имеется электропроводящая пыль, то электрическиепараметры конденсатора меняются. Проводящая пыль не только ме" няет емкость конденсатора, но и вносит изменения в сопротивление и йидуктивность колебательного контура.КоэфФициент электрической поляризации конденсатора 1 О"- КЧ где Р( - дипольный момент;Ч - объем пылинки;Е - напряженность электрического 15поля.Благодаря поляризационному поверхностному заряду на обкладках конденсатора при той же разности потенциалов наводится добавочный зарядР 1 9ю - ,.где Й - расстояние между обкладками.Если бы собственное сопротивление пылинки Б, было малым, можно было бы считать, что изменилась, емкость конденсатора на величинус= ,; ро ЗО 20 где Ч - объем между пластинами конденсатора;С- емкость чистого конденсатоора;Е - диэлектрическая проницае- З 5мость вакуума.Если сопротивление пылинки К велико, но не бесконечно, то необходимо учитывать энергетические потери в пылинке, меняющие добротность контура. Присутствие пыли между обкладками конденсатора равносильно параллельному включению в контур активного сопротивления В и емкости С (С - емкость пыли), Тогда полное комплекс" иое сопротивление Е между точками присоединения контура"1 ЮСаУ,=)аф(с,ро,)-ас Ои50 Счетную концентрацию частиц определяют по числу, импульсов электромагнитного дипольного излучения частиц.Электромагнитный способ определения размеров и счетной концентрации частиц основан на том, что частица, двигаясь во внешнем электрическом или магнитном поле, приобретает электрический дипольный моментд -ОЕ (1 Ь 1 (9( для проводящего шара дипольный электрический момент При этом также увеличилось активное сопротивлениеас ;) 6 О(С+С)"Энергетическими же потерями в пылинке можно пренебречь. Если частота переменного поля, эадаваема я ген ератором частоты в конденсаторе, вели где а - радиус частицы,где Ш - угловая частота,В - сопротивление контура,Для малых частот, когда Ю С( В (1,получим приближенноив (с+с (с, +с 1 ф ка ЮС В зЪ 1, получаем в первом приближении В этом случае резонансная частота меняется незначительно, а увеличивается в основном активное сопротивление, внося энергетические потеРи и ухудшая добротность контура,Таким образом, меняя частоту собственных колебаний контура при наличии пыли, изменяют его добротность.Зная ее по смещению резонансной часС/,тоты фр 2 О(юц резонанснаяо 2 С. Очастота), можно определить добавочную емкость . По добавочной емкостиделают оценку количества пыли, находящейся между обкладками конденсатора; зная увеличение емкости от одной частицы среднего заданного размера, определяют из формул (3), (8)концентрацию частиц.Существенный недостаток этого способа заключается в возможности измерения только счетной концентрациипри известных размерах частиц.Цель изобретения - увеличение точности измерения размеров и счетнойконцентрации частиц, способных поляризоваться в электрическом поле.Указанная цель достигается тем,что измеряют интенсивность импульсов.электромагнитного дипольного излучения частиц, возникающего под действием приложенного внешнего электрического поля и их число. Размер частиц вычисляют по формулеОфК 7 Е(1- ); Р)где а - радиус частиц;;( - . интенсивность импульса ди.польного излучениямиЕ - напряженность внешнего элекотрического поля;- диэлектрическая проницаемость частицы,"К - константа, зависящая от геометрии детектора.708203 5 с .:10 мкм юй о у (ц/ о Отсюда получают Формулу для вычисления размера частицы а по измеренной интенсивности излучения30а=ХХ Ь(1-8") К=; /У)где 8 - площадь детектора.Способ реализуется при помощи схемы, показанной на чертеже.С внешней стороны диэлектрической З 5части канала 1 или внутри канала размещают электроды 2, 3 конденсаторатак что узкий пучок силовых лкний 4напряженности электрического поля пересекает полость канала, через который 40пропускают поток частиц. частица 5,пролетая через электрическое полеконденсатора, поляризуется и излучает электромагнитный импульс 6 впреимущественном. направлении перпендикулярно силовым линиям напряженнос-ти поля.Эти импульсы улавливаются детектором 7, а количество и интенсивностьих измеряются соответственно счетньм 59устройством 8 и амплитудным анализатороуч 9,Примеры реализации предложенногоспособа измерения размера и конпентрацииметаллических частиц. 55Минимальная мощность детектируемая измерителями мощности слабых шумовых и синусоидальных сигналов,-ю10 Вт, антенное устройство Пбре"гистрирует мощность 7,4 -10 вт. Максимальная напряженность внешнегоэлектрического полясмакс -уо з 1 меПри такой напряженности не происходит пробоя между электродами для 65 Формула изобретения При выходе из объема внешнего электрического поля запасенная энергия частицы равна:" рь 9 йя , пИнтенсивность же излучения части цы-диполя вычисляется методом запаз.дывающих потенциалов;-сф (- )З 1 И 6 з Я 4 Еар (а Е ) со ), сов юй, -- );Й 1 1 О где К, - частота колебания диполя;Й- расстояние от излучающей частицы до детектора;9 - угол между вектором и направлением измерения; 15С - скорость света;- время.Из Формулы (12) получают выражение для энергии импульса дипольного излучения частицы, регистрируемого детектором плОщадью 1 см 2, расположенным на расстоянии к от излучающей частицы-диполя, перпендикулярно к оск диполя: воздуха прк Р 10мм рт.ст. клк прк Р 30 атк. Использовалось поле плоского конденсатора в атмосфере инертного газа с частицами щелочного металла с голыми электродамк, напряженность Ес, = 610 В/м.Используя приведенные предельные значенкяу минимальной мощности (10 Вт) к напряженности Е(6 10 В/м) а также полагая В = 1 м, площадь детектируемой антенны 1 см , по Формуле (14) вычисляют минимальный измеряемый существующимк приборами, радиус частицы: 3 к 8%оМножитель (1 - Я ) для металлов ранен 1 Погрешность прк определении размеров частиц вычисляется исходя из (14) по Формуле: Точность измерения интенсивностиизлучения- :1 Ы /оау Точность измерения напряженности внешнего электрического поля:- =4 5 УПогрешность измерения В очень мала ( 10 ), ею можно пренебречь.По Формуле (15) относительная погрешность измерения размера частиц:йаНаряду с опрецелением размеров частиц по интенсивности импульсов их излучения, можно с помощью счетного устройства, проводить абсолютный счет ю 4 пульсов, а тем самым определять концентрацию частиц в потоке. Для объема внешнего эл, поля (10 х х 10 х 10 ) м при условии, что в нем находится не более одной частицы: 4моксИтак, предложенный способ измерения позволяет: измерять частицы .ради усом до 10 мкм с большей точностью (3) чем способ - прототипу проводить абсолютный счет частиц в потоке, т, е. существенно повысить точность измерения концентрации частиц существующими приборамк. Способ измерения размеров к счетной концентрации азроэольных частиц, способных поляризоваться в электри7 708203 оставитель В. Вощанкинехред Э.фанта Корректор В. Синицка дактор Т. Орловская ноеСССРйде 4/5 Заказ 8474 Тираж 1019 Подпис КИПИ Государственногб комитета по делам изобретений и открыт , Москва, Ж, Раушская наб 1130 ул. Проектная, 4 тент ф П ческом поле, заключающийся в том, что к исследуемому потоку аэрозольных частиц прикладывают внешнее электричес,кое поле, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности .измерений, измеряют интенсивность 5 импульсов электромагнитного дипольного излучения частиц, возникающего под действием внешнего электрического поля, и их число, концентрацию частиц определяют по числу импульсов электроО магнитного дипольного излучения, а размер частиц - по формуле .О:кЮ.е РО Е)где а - радиус частицы;15- интенсивность дипольного излучения; Е - напряженность внешнего поля;- диэлектрическая проницаемость вещества частицы;к - константа, зависящая от геометрии детектора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. ШиФрин К. С., Голиков В. И. Определение спектра капель методом малых углов. Труды 6 межведомственнойконференции, изд-во АН СССР, М.,1960.2. Патент Японии Р 48-38440,кл. 113.3 3, 1973.3. Ключенинкас а. Б., Балтренас П. Б. Защита атмосферы от загрязнений; вып. 2, Вильнюс, 1974, с, 143,