Устройство для измерения заряда в воздушном потоке

(9) оз 6 01 й 29 ИЯ ии, гигиеения заряОСУДАРСТВЕНЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬС(71) Баюкирский государственный университет им. 40-летия Октября и Ленинградский государственный университет (72) Б.К.Сушко. Р,З.Бахтизин и Л.С,Ивлев (56) 1, Абрамян В.К., Авакян В,В., Айрапетян Г.Т. и др. Устройства для контроля уровня электризации в аппаратах с двухфазной системой газ - твердые частицы, - Измерительная техника, 1978, В 5, с, 72-74, рис. 1,2, Саранчук В,И., Рекун В.В. и Поздняков Г.А. Электрические поля в потоке аэрозолей. - Киев: Наукова думка, 1981, с. 6-12.3. Авторское свидетельство СССРМ 1228047, кл. 0 01 В 29/24, 1986.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯДА В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ(57) Использование: в метеорологне, физике атмосФеры для измер1 оу - :АиI дов в потоках аэродисперсных частиц, в частности для оценки опасности статического электричества.в аэродисперсных средах.Цель; повышение точности и информативности измерений. Сущность изобретения; устройство содержит: измерительный электрод (1), электрометр (2), экранирующий электрод (3), электродвигатель (4). металлические пластинй (5 и 6), источник света (8), конденсор (9), полупрозрэЧное зеркало (10), защитные стекла (11 и 12), форкусирующие линзы (13 и 18), фотоприемные модули (14 и 19), детекторы (15 и 20), логарифмический усилитель (16), аналоговый делитель (21) и регистратор (22). ИСХ 8-9-10-11-5-6-1 2-13- 14-15-16-21-22, ИСХ 10-3-18-19-20-16, ИСХ ;-1-2-21, ИСХ 4-3. Положительный эффект.Повышение примерйо в 4 раза точности измерений заряда, получение информации об удельном заряде, приходящемся на одну частицу. 1 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зарядов в потоках аэродисперсных частиц, например для оценки опасности статического электричества в аэродисперсных средах.Известны измерители напряженностиэлектростатических полей в аэродисперсных средах с эондовым датчиком (1).Однако, из-за утечек по входным цепямусилителя постоянного тока, такие устройства не позволяют осуществлять непрерывный контроль за изменением значения заряда.Известно также применение динамического индукционного электрометра для измерения электростатического заряда в аэродисперсных средах (2).Недостаткам такого измерителя является сложность, интерпретации получаемых данных, так как градуировка устройства проводится обычно в поле плоского конденсатора, конфигурация силовых линий которого значительно отличается от конфигурации линий поля аэроэольного облака, Этот недостаток устраняется введением датчика с плоскопараллельными заземленными пластинами.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения заряда воздушного потока (3),содержащее измерительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с электрометром, и выполненный в виде диска экранирующий электрод, укрепленный на валу электродвигателя и соединенный с нулевой шиной., причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины,.укрепленные в параллельных плоскостях,при этом нижняя пластина и экранирующий электрод расположены в одной плоскости,Недостатком известного устройства является низкая точность и информативность"измерений значения заряда аэродйсперсных частиц, связанная с неконтролируемыми процессами теппообмена в потоке, приводящими к значительной неравномерности распределения концентрации частиц как по оси, так и по сечению потока, и к значительным флуктуациям показаний измеряемого заряда. При этом в каждый момент времени измеряется случайная реализация заряда. значительно отличаюЩаяся от последующих реализаций.Таким образом, измеряемое значениезаряда зависит от неконтролируемой в процессе измерений и изменяющейся в широких пределах концентрации частиц. В то жевремя для характеристики эффективности процесса зарядки частиц в технологических процессах очень важно знать значение удельного заряда, приходящегося на одну 5 частицу, и отклонение этой величины отсреднего значения со временем. Знание значения удельного заряда, приходящегося на одну частицу, значительно повышает информативность проводимых измерений, 10 Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений,Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения заряда в воздушном потоке, содержащее изме 15 рительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с эпектрометром,и выполненный в виде диска экранирующий электрод, установленный на валу 20 электродвигателя и соединенный с нулевойшиной, причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины, укреплен-ные в. параллельных плоскостях 25 дополнительно введены источник света иоптически связанные конденсор, полупрозрачное зеркало, первое и второе защитные стекла, первая фокусирующая линза и первый фотоприемный модуль, выход которого 30 через первый детектор соединен с первымвходом логарифмического усилителя, а также оптически связанные с полупрозрачным зеркалом, вторая фокусирующая линза и второй фотоприемный модуль, выход кото рого через второй детектор соединен со вторым входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входом- аналогового делителя, второй вход которого соединен с выходом электрометра, а выход 40 аналогового делителя соединен с регистратором, при этом первое защитное стекло укреплено на первой заземленной металлической пластине параллельно экранирующему электроду, вторая металлическая 45 пластина выполнена с отверстием, закрытым вторым защитным стеклом, а на экранирующем электроде соосно с ним укреплена пустотелая цилиндрическая оболочка с прорезями, расположенными с возможностью 50 модуляции светового луча, отраженного от.полупрозрачного зеркала.На чертеже представлена блок-схемаустройства для измерения заряда в воздушном потоке.55 Устройство содержит измерительныйэлектрод 1, через нагрузочное сопротивление Й соединенный с электрометром 2, зкранирующий электрод 3 с секторными вырезами, укрепленный на валу электро двигателя 4, а также верхнюю 5 и нижнюю(2) р- ЕоЕ/Ь,(3) Ос =111 Р,1-1. ее",(4) у и Оех А,6 пластины, соединенные проводящимистойками 7 с нулевой шиной, Пластины 5 и6 разнесены на расстояние Ь, а экранирующий электрод 3 и пластина 6 расположеныв одной плоскости. Измерительный 1 и экранирующий 3 электроды снабжены секторными вырезами, Источник света 8 иразмещенные по ходу светового луча конденсор 9, полупрозрачное зеркало 10, защитные стекла 11 и 12, фокусирующая 10линза 13 и фотоприемный модуль 14 образуют оптический абсорбционный измеритель концентрации аэродисперсных частицс измерительным объемом, совпадающим срабочей зоной устройства для измерения 15заряда, через которую проходит световойлуч источника света 8. Пластины 5 и 6 расположены по ходу луча в промежуткемеждузащитными стеклами таким образом, чтоэкранирующий электрод 3 при своем вращении модулирует световой поток источника света 8, Фотоприемный модуль 14 черездетектор 15 соединен с первым входом логарифмического усилителя 16. Размещенные по ходу светового луча, отраженного от. 25полупрозрачного зеркала 10. пустотелая цилиндрическая оболочка 17 с прорезями, закрепленная на экранирующем электроде 3с возможностью модуляции светового луча:при вращении электродвигателя 4, а также 30вторая фокусирующая линза 18 и второйфотоприемный модуль 19 образуют опорный канал оптического абсорбционного измерителя концентрации аэродисперсныхчастиц. Выход второго фотоприемного модуля 19 через детектор 20 соединен с вторым входом логарифмического усилителя16, выход которого соединен с первым входом аналогового делителя 21; Второй еговход соединен с выходом электрометра 2. К 40выходу аналоговогоделителя 21 подключенрегистратор 22,Устройство работает следующим образом,Зкранирующий электрод 3 приводится 45во вращение электродвигателем 4, он попеременно экранирует и экспонирует измерительный: неподвижный электрод 1. Приотсутствии заряженных аэрозолей междупластинами 5 и 6 внутри ограниченной ими 50рабочей зоны образуется зквипотенциальный объем нулевого потенциала, при этомпотенциал электрода 1 также будет равеннулю, При прокачивании через рабочую зону заряженных аэрозолей, в эквипотенциальном обьеме появляется электрическоеполе, вызванное зарядом аэрозолей. Потоквектора напряженности электростатического поля заряженных аэрозолей модулируется зкранирующим электродом 3 с частотой т, в результате во входных цепях электро.- метра 2 появляется периодический сигнал, пропорциональный напряженности электростатического поля Е. Среднее (за период) напряжение, действующее на входе электрометра, можно определить по формуле: 0 2 ео Е Яй где е о - электричеСкая постоянная;8 - эффективная площадь измерительной пластины;1 - частота модуляции сигнала;В - входное сопротивление электромет-ра,Плотность р объемного заряда аэрозолей определяется формулой где Ь - расстояние между пластинами 5 и 6.Напряжение О в электрометре 2,усиливается и детектируется, Напряжение 0 на выходе электрометра 2 с учетом формул 1 и 2 равно: где й - коэффициент усиления электрометра;М - коэффициент пропорциональности,Световой поток от источника света 8 коллимируется коллиматором 9, проходит через полупрозрачное зеркало 10, модулируется при вращении экранирующего электрода 3 и проходит через рабочий объем между пластинами 5 и 6, поступая ва фокусирующую линзу 13 и затем на фотоприемный модуль 14, Находящиеся в рабочем объеме аэрозольные частицы ослабляют и рассеивают проходящий сквозь них световой поток. Если величина исходного светового потока - 1 о, то прошедший через слой пылегазовой среды толщиной Ь световой поток 1 согласно закона Бугера-ЛамбертаБера равен: где у- коэффициент ослабления света,В свою очередь, у выражается форму- лой где и - концентрация частиц;Оем - фактор эффективности экстинкции;5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 А - сечение рассеяния света, для сфери.ческих частиц где б - диаметр частицы.8 ЕЛИЧИНа Оех 1 ОПрЕдЕЛяЕтая КаК ОтНО- шение потока энергии, ослабленного частицей, к потоку энергии, падающему на частицу, и зависит от оптических свойств материала частицы. Иэ (5) видно, что значение у при измерениях на частицах одного сорта зависит в основном от концентрации частиц п, Иэ (4) и (5) имеем: 1О 109 1, или иОех Ад=- 1 о(6)где к 2 - коэффициент пропорциональности,Полупрозрачное зеркало 10 делит проходящий через него свет на два пучка -рабочий, поток, проходящий через рабочийобъем, и опорный. модулирующийся привращении цилиндрической оболочки 17 спрорезями и регистрируемый фотоприемным модулем 19, сигнал с выхода которогопропорционалено. Сигналы фотоприемныхмодулей 14 и 19 выпрямляются детекторами15 и 20 и логарифмируются в блоке логарифмического усилителя 16, на выходе которогопоявляется сигнал, пропорциональный логарифму отношения 1 о 9 1/10 (6), Логарифмический усилитель такого типа описан вкниге: Алексенко А.ГКоломбет Е,А., Стародуб Г.И, - Применение прецизионных аналоговых ИС. - М,: Радио и связь, 1981. - С.91-101.С выхода логарифмического усилителясигнал, пропорциональный логарифму отношения световых потоков, или, что то жесамое, пропорциональный концентрациичастиц (см; выражение (6) ) поступает напервый вход аналогового перемножителяделителя. На второй его вход с выхода электрометра поступает сигнал,пропорциональный значению объемного заряда аэрозолей (см. выражение(3, На выходе аналогового перемножителя-делителяпоявляется сигнал, значение которого 1.4 ыхпропорционально отношению выраженийгде Кз и 1 ч - коэффициенты пропорциональности.Таким образом на выходе блока 21 появляется сигнал, пропорциональный значению заряда, приходящегося на одну частицу. Этот сигнал регистрируется регистратором 22, При подключении дополнительных регистраторов к выходам блоков 2 и 16 может быть получена информация о величинах соответственно объемного заряда и концентрации аэрозолей. Использование предлагаемого технического решения, в сравнении с известными, позволит.повысить точность измерений за счет уменьшения погрешности, обусловленной неконтролируемыми процессами тепломассообмена в потоке;повысить информативность измерений за счет получения информации об удельном заряде, приходящемся на одну частицу, а также о концентрации аэрозолей в измеряемой зоне. Формула изобретения Устройство для измерения заряда о воздушном потоке, содержащее измерительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с электрометром, и выполненный в виде диска экранирующий электрод, установленный на валу электродвигателя и соединенный с нулевой шиной, причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины, укрепленные в параллельных плоскостях, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и информативности измерений, в него дополнительно введены источник света и оптически связанные конденсор, полупрозрачное зеркало, первое и второе защитные стекла, первая фокусирующая линза и первый фотоприемный модуль, выход которого через первый детектор соединен с первым входом логарифмического усилителя, а также оптически связанные с полупрозрачным зеркалом вторая фокусирующая линза и второй фотоприемный модуль, выход которого через второй детектор соединен с оторым входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входом аналогового делителя, второй вход которого соединен с выходам электрометра, а выход аналогового делителя соединен с регистратором, при этом первое защитное стекло укреплено на первой заземленной металлической пластине параллельно экранирующему электроду, вторая металлическая пластина выполнена с отверстием, закрыЗаказ 3455 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4% Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 тым вторым защитным стеклом, а на экранирующем электроде соосно с ним укреплена пустотелая цилиндрическая оболочка с прорезями, расположенными с возможностьюмодуляции светового луча, отраженного отполупрозрачного зеркала.