Импактор

Союз Советских Социалистических Республик. (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 1407.78 (21) 2645694/18-25 (51) М. КЛ. с присоединением заявки М 2645894/18-25 6 01 Н 15/02 Государственный коинтет СССР по аеааи изобретений н открытнй(53) УДК 539,2152(0888) Дата опубликования описания 15.1 1.8 Д.Л. Зеликсон и Н,Г. Булгакова(54) ИИПАКТОР Изоьретение относится к приборам для измерения масс взвешенных частиц, преимущественно аэрозоля, и может быть применено для анализа дисперсного состава и измерения концентрации промышленных и природных пылей в диапазоне размеров от субмолекулярных и субмикронных до десятка микрон.30Известно устройство, содержащее фильтр и насос, в котором дисперсный состав частиц определяют седиментацией в суспензии после предварительного осаждения в Фильтре (1.Недостатком эого устройства яв ляется низкая точность дисперсного анализа.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является из-, вестный импактор, содержащий после довательно расположенные ступени инерционного осаждения частиц аэрозоля, фильтр и форвакуумный насос, который позволяет проводить измерение гранулометрического состава непосредственно в потоке аэрозоля 2.Недостатком известного импактора является ограниченный по тонким фракциям диапазон анализируемых размеров, определяемый-технологическими З 0 трудностями изготовления сопловых Отверстий малого диаметра и ограничением скорости потока в сопле, которая не должна превышать звуковой.Цель изобретения - повышение точности анализа и расширения диапазона измеряемых частиц, автоматизацию процесса измерения тонкодисперсных частиц для непрерывного контро" ля за выбросами в атмосферу.Для достижения цели импактор, содержащий последовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумный насос, снабжен гаэоразрядным источником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный анализатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным в виде металлизированного Фильтра.Камера осаждения частиц может быть снабжена щелевой диафрагмой, соединенной байпасным трубопроводом с Форвакуумным насосом, вдоль щели которой расположен один из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненный в виде, нити термофореэного нагревателя или выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционногоосаждения, а коллекторный электродокружен охранной диафрагмой в видеметаллизированного фильтра.На фиг. 1 представлен импактор,общий вид; на фиг. 2 - камера осаждения частиц в виде ступеней инерционного осаждения, вариант.Прибор (фиг1) состоит из последовательно соединенных камер осаждения частиц с источником зарядов 1и квадрупольного анализатора 2масс-спектрометра. В камере 1 в верхней зоне установлена щелевая диафрагма 3, перед щелью которой с минимальным зазором расположен горизонтально электрод 4, выполненный в виде нити термофорезного нагревателяразрядного электрода газоразрядногоисточника заряженных частиц, соединенного с источником накального напряжения П и с, например, отрицательным полюсом источника напряженияразряда Бр, В нижней зоне камеры 1установлены экранная диафрагма 5входа в камеру 2 анализатора, снабженная патрубком 6, выступающим вкамеру 1, и положительный электрод7 газоразрядного источникаКамера1 снабжена патрубками 8.и 9. Щелевая диаФрагма 3 соединена байпаснымтрубопроводом 10 с вакуумным насосом11. В камере 2 анализатора установлены квадрупольный конденсатор 12,электроды которого попарно соединеныс источником напряжения вида+(У + Ч соз ы 1), коллекторный электрод - фильтр 13, соединенный сэлектрометром 14, и охранная диафрагма-фильтр 15 выхода из камеры2, причем электрод 13 и охраннаядиафрагма 15 выполнены в виде идентичных металлизированных, напримерметаллокерамических Фильтров, соединенных с насосом 11 параллельно,Насос 11 снабжен вентилями 16, установленными на байпасных линиях. Камера 1 осаждения частиц может бытьвыполнена в виде последовательнорасположенных ступеней инерционногоосаждения (фиг, 2). Каждая ступеньпредставляет собой систему сопловыхотверстий 17 и поверхностей осаждения 18. Камера 19 газоразрядногоисточника заряженных частиц расположена на входе камеры 2 анализатораи содержит электроды 4 и 7,В работе с импактором предварительно продувают камеру 1 через патрубки 8 и 9 при закрытых вентилях 16.Зачтем нагревают нить - электрод 4током источника накала до перепадатемператур порядка сотни кельвинови открывают вентиль 16 на байпасномтрубопроводе 10 после герметизациипатрубков 8 и 9. Камеру 1 откачивают насосом 11 через щелевую диафрагму 3. Одновременно включают источник разряда и производят униполярную зарядку частиц отрицательными 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 ЬО 65 ионами с электрода - нити 4. Заряженные частицы благодаря двойному эффекту термо- и электрофореза выталкиваются из области нити 4 и щели диафрагмы 3, поэтому в насос перетекает обеспыленный газ. Крупные частицы, размер которых находится вне пределов измерения, под действием гравитационной и электростатической сил оседают в нижней зоне камеры 1 на электроде 7 и экранной диафоагме 5, патрубок 6 которой препятствует попаданию этих частиц в камеру 2 анализатора, Таким образом, происходит предварительная сепарация частиц при сохранении концентрации анализируемого аэрозоля, несмотря на снижение давления в камере 1После достижения в камере 1 и 2 вакуума в пределах 10 - 1000 Па перекрывают вентиль 16 байпасного трубопровода 10 и открывают основной вентиль 16. Заряженный аэрозоль через сопло патрубка 6 с заданной скоростью поступает в камеру 2 анализатора вдоль оси квадрупольного конденсатора 12, электростатическое поле которого гиперболического вида в совокупности с гармонической составляющей заставляет частицы перемещаться по сложной осциллирующей траектории. Траектории всех частиц, за исключением узкой фракции определенного отношения заряда к массе, неустойчивы и имеют тенденцию к неограниченному отклонению от оси конденсатора. Частицы с устойчивой траекторией оседают на коллекторном электроде - фильтре 13, заряд которого, измеренный электрометром 14, является мерой фракционной концентрации. Охранная диафрагма - Фильтр 15 предотвращает перетекание потока аэрозоля с неустойчивыми частицами на коллекторный электрод - фильтр 13Изменением отношения напряжений П/Ч на конденсаторе 12 или частоты ж гармонической составляющей производят дисперсный анализ аэрозоля, последовательно определяя долю частиц каждой Фракции. Для анализа частиц аэрозоля используют низкую частоту питания 50 -10000 Гц.Во время работы имйактора с камерой инерционного осаждения поток аэрозоля поступает на вход (фиг2) и через сопловые отверстия 17 последовательно проходит все ступени. При обтекании струей запыленного газа поверхностей 18 происходит разделение частиц на фракции в зависимости от скорости потока в сопле, Гидравлические сопротивления отверстий 17 . и скорость потока в них подобраны таким образом, чтобы на первой ступени осаждались наиболее крупные частицы, а на следующих все более мелкие фракции. Наиболее мелкие частицы выносятся в камеру 19, гдеприобретают униполярный заряд в полеразряда с электродов 4 и 7. Заряженные частицы в потоке газа поступают в камеру 2 анализатора. Гидравлическое сопротивление всего трактаот первой ступени до камеры 19 таково, чтобы непрерывная откачка газа5насосом 11 обеспечивала в камере 2заданный вакуум в 10 - 1000 Па,В предлагаемом импакторе примененгидродинамический способ транспортировки частиц в камере анализаторавместо неэффективного при наличиигаза и малом отношении заряда кмассе способа электростатическогоускорения.Если частица обладает одним элементарным зарядом, то в поле напря-женностью 1000 В/см она имеет скорость около 0,1 м/с при диаметре1 мкм, а для диаметра 0,1 мкм скорость более 10 м/с при давлении 20100 Па. Эти значения скорости иопределяют для заданных рабочих параметров прибора диапазон размеровот десятка микрон до молекулярных.Минимально допустимая концентрациячастиц одной фракции, исходя из= 16предельно измеримого .тока 5 10 А,составляет 3000 в секунду и соответствует при расходе газа черезкамеру анализатора 0,1 л/с и давлении 100 Па концентрации ури атмосферном давлении 3108 м или весовой концентрации 1"100 мкг/м дляЭчастиц диаметром 0,01-1 мкм.Выходной сигнал представляетсобой электрическую величину, чтообеспечивает возможность автоматизации процесса измерения тонкодисперсных фракций. Нижний пределразмеров анализируемых частиц неограничен и достигает атомарных величин. Разрешающая способность предложенного устройства существеннопревосходит параметры известных импакторов, что обуславливает провышенную точность дисперсионного анализа в области малых размеров, где весовые методы определения величины осадка на поверхности 18 непригодны.Формула изобретения1. Импактор, содержащий последовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумныйнасос, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что с целью повышения точности ирасширения диапазона измеряемых частиц, он снабжен газоразрядным источ"ником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный анализатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным ввиде металлизированного фильтра.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что камераосаждения частиц снабжена щелевойдиафрагмой, соединенной байпаснымгрубопроводом с форвакуумным насосом, вдоль щели которой расположенодин из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненныйв виде нити термофорезного нагревателя.3. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что камераосаждения частиц выполнена в видепоследовательно расположенных ступеней инерционного осаждения.4, Устройство по пп. 1, 2 и 3,о т л и ч а ю щ е е с я тем, чтоколлекторный электрод окружен охранной диафрагмой в виде металлизированного фильтра.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Коузов П.А. Основы анализадисперсного состава промышленныхпылей и измельченных материалов,М.,фХимияфф, 1974, с. 35.2. Там же, с. 206, 881580881580 Тираж 910 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5