Способ измерения среднего размера аэрозольных частиц

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ю (И) р Гт 01 Ь 15/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И СССР ТНРЫТИ(72) .Б.И. Попов, А.И. Дормидонов, Б;Ю. Кольцов и И.И. Леонов (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 365631, кл. С 01 И 15/02, 1970.2. Авторское свидетельство СССР У 894480, кл. С 01 И 15/00, 1979.3, Авторское свидетельство СССР Р 879405, кл. С 01 Б 15/00, 1980 (прототип)(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значении па-. раметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод, о т л ич а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения .в области грубодисперсного аэрозоля, зарядку в двух параллель- противоположных йствием электриными значениями частиц производятных каналах ионамиполярностей под деческих полей с ранапряженности, измпотоков заряженныхлов на измерительвзаимной компенсаса и регистрируютпри скомпенсирований размер г частиформуле няю ношени из кан час ыи ктро ов п о рено- поток и ноше ни сред поках, деля опр где Ж оянные диффузиони ударного закон дки соответственн яженность поля в ом канале шение потоков зар ных частиц из перв орого каналов на ельный электрод, шение нацряженнос трических полей в и втором каналах. с г о фИзобретение относится к способамизмерения параметров аэрозольных частиц, в частности их средних размеров,и может быть использовано при исследовании атмосферного воздуха в санитарно-гигиенических и научных целях,при анализе промышленных пылей и порошков и в медицине для контроля дисперсности вакционных аэрозолей.Известен способ определения среднего размера аэрозольных частиц, заключающийся в одновременном отборепроб аэрозоля по двум параллельнымканалам с различными режимами течения газа и последующей регистрациив каналах концентраций частиц двухразличных фракций, по соотношениюкоторых судят о среднем размере частиц 11,Однако соотношение концентрацийдвух различных фракций не позволяетстрого определить ни один из среднихразмеров частиц, используемых приточном описании аэродисперсных си"стем. Поэтому данный способ используется лишь для качественной оценкидисперсности аэрозолей. Кроме того,.значительные технические трудностипредставляет разделение аэрозольныхчастиц в потоке на тонко-. и грубо 30дисперсную фракции с достаточной дляизмерительных целей точностью.Известен также способ измерениясреднего размера аэрозольных частицпутем ионной зарядки частиц в потокеаэрозоля в диффузионном режиме за 35рядки, определении доли заряженныхчастиц и регистрации параметра зарядки, определяемого как произведениеионной проводимости газа на время40зарядки, по значению которого и до-.ле заряженных частиц судят о их среднем размере 2.Однако указанный способ позволяетизмерять с достаточной точностью45лишь средний размер высокодисперсных аэрозолей в интервале от тысяч-,ных до десятых долей микрона. Аэрозольные частицы размером в десятыедоли микрона и более практически всеприобретают электрический заряд, при 5 Оэтом доля заряженных частиц приближается к единице, что не позволяетиспользовать способ .для контроля грубодисперсного аэрозоля, содержащегочастицы больших размеров. Недостатком способа является также сложностьрегистрации незаряженных субмикронных частиц. Например, определение счетной концентрации оптическими счетчиками становится возможным после предварительного конденсационного укрупнения частиц.Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату способ измерения среднего размера аэрозольньос частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значении параметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод. При этом производят поочередное измерение токов пере- . носа на измерительном электроде при двух различных режимах зарядки: диффузионном и ударном. Величина заряда, приобретаемого частицами при ионной зарядке, имеет различную функциональную зависимость от радиуса частицы в диффузионном и ударном режимах. Это позволяет при фиксированных значениях параметра зарядки С (где С - ионная проводимость. газа," 1 - время зарядки). определять средний радиус стационарного потока частиц по отношению токов, переносимых потоками заряженных в двух режимах частиц. Для измерения аэрозоля с изменяющимися во вре.мени параметрами используют параллельное измерение токов переноса частиц, заряженных в двух идентич-, ных измерительных устройствах с разными режимами зарядки. В диффузионном режиме зарядки для обеспечения заданной ионной проводимости С используют электрические поля с очень малой напряженностью, составляющей от единиц до десятков В/см. При таких значениях напряженностей влиянием электрического поля на заряд частиц и ударной составляющей заряда пренебрегают и используют при расчетах диффузионный закон зарядки. Для обеспеяения преимущественно ударного закона зарядки создают напряженности электрического паля в сотни.раз больше, чем при диффузионном режиме. Известный способ позволяет измерять дисперсность аэрозолей,1содержащих частицы с размером до5 мкм 3. Недостатком известного способа является низкая точность определения среднего размера в области грубодиснерсного аэрозоля, содержащего1100 538 4составляющих 10. А и менее даже при высоких концентрациях аэрозоля, вызывает значительные технические трудности.Цель изобретения - повышение точности измерения, преимущественно в области грубодисперсного аэрозоля, содержащего частицы с размером более 1 мкм.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднего размера аэрозольныхчастиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значениипараметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод зарядку частиц производят в двух параллельных каналах ионами противоположных полярностей под действием электрических полей с разными значениями напряженности, изменяют отношение потоков заряженных частиц из каналов на измерительный электрод до взаимной компенсации токов переноса и регистрируют отно-. шение потоков при скомпенсированных токах, а средний размер г частиц определяют по формуле1оьК" (1)Р 10 тока, Е - напряженность электрического поля), следует, что для обеспечения фиксированных значений проводимости С в разных режимах зарядкитребуются источники ионов с существен 40но различной производительностью. Приотношениях напряженностей полей десятки и сотни в соответствующее числораз отличаются и скорости дрейфа частиц в электрическом поле, что можетприводить к различным потерям заря-женных частиц в зонах зарядки и, какследствие, к значительным погрешнос.тям измерения. Кроме того, заряды,приобретаемые крупными частицамипри диффузионной зарядке значительноменьше зарядов, приобретаемых поддействием электрического поля, чтоприводит к необходимости измеренияболее малых токов переноса и снижению точности измерения при малыхконцентрациях аэрозоля. Точное измерение в широком диапазоне токов,зчастицы с размером около 1 мкм и более, Это обусловлено тем, что влияние электрических полей не учитывается диффузионным законом зарядки и пренебрежимо мало лишь для частиц субмикронного аэрозоля при напряженностях попей порядка десятков В/см и менее. Поскольку диффузионная составляющая заряда пропорциональна первой степени радиуса частиц, а неучитываемая в диффузионном режиме ударная составляющая связана с размером квадратичной зависимостью, ошибка резко возрастает в области грубодисперсного аэрозоля. Расчет для 15 монодисперсного аэрозоля, например, с размером частиц 5 мкм при используемых на практике режимах и параметрах зарядки показывает, что доля ударной составляющей, а следовательноДО и погрешность измерения известным способом достигает десятков процентов. С другой стороны, для минимизации указанной составляющей погрешности до приведенных значений обеспечивают 25 отношения Р напряженностей электрических полей в двух режимах зарядки порядка нескольких сотен. Столь большие значения отношение напряженно" стей полей в разных режимах приводит 30 к усложнению практической реализации способа и появлению других составляющих погрешностей измерения. Так, из выпажения для ионной проводимости С =1/Е (где- плотность ионного35 где К и- постоянные диффузионного и ударного законовзарядки соответственно,Е - напряженность поля в пер.вом канале,- отношение потоков заряженных частиц из первогои второго каналов на измерительный электрод;Р - отношение напряженностейэлектрических полей в .первом и втором каналах.В двух параллельных каналах используется только один режим зарядки(под действием электрического поля),но при отличном от единицы отношении напряженностей электрических полей, Взаимная компенсация токов, пере- носимых потоками разнополярно заря-.женных частиц из каналовна общийизмерительный электрод, обеспечиваетусловия, при которых средний размерчастиц однозначно определяется с учетом всех составляющих заряда, приоб11005 ретаемого аэрозольными частицами под действием электрического. поля, Компенсацию осуществляют изменением отношения потоков заряженных частиц на измерительный электрод. Компенсация достигается, например, путем изменения расходов газа, переносящего заряженные частицыиз каналов на общий измерительный электрод, или неселективным разбавлением аэрозоля в ка О нале с большей напряженностью поля. Средний размер частиц определяется достаточно прОстой формулой по отношению потоков заряженных частиц при скомпенсированных токах переноса. 15 При этом исключаются погрешности, связанные с идеализацией диффузионного режима зарядки, и в результате использования одного режима зарядки уменьшаются погрешности, обусловлен ные значительным отношейием напряженнОстей полей.На фиг. 1 и 2 схематично показаны варианты устройства, реализующего предлагаемый способ,В первом варианте устройства .(фиг. 1) в потоке аэрозоля установлен воздуховод 1 прямоугольного сечения, разделенный проводящей пластиной 2 на два параллельных канала равного сечения. Пластина 2 заземлена через микроамперметр 3. На воздуховоде 1 с противоположных сторон пластины 2 закреплены на изоляторах два источника 4 ионоввыполненные в виде тонЬ ких проводов, к которым приложены соответственно положительный 0 и отрицательный потенциалы, превышающие напряжение зажигания коронного, 40 разряда, Источники 4 ионов отделены от каналов сетчатыми электродами 5 одинаковых размеров, к одному из которых приложен положительный потенциал 4 а к другому отрицательный по 1945 тенциал -ф . Электроды 5 совместно с пластиной 2 образуют в каждом из каналов зоны зарядки, Последовательно по потоку аэрозоля за зонами зарядки в воздуховоде 1 размещен общий измерительный электрод 6 в виде ко 50 робки прямоугольного сечения, установленный на направляющей 7, перпендикулярной направлению потока, Электрод 6 частично перекрывает сечения обоих каналов и жестко связан со 55 штоком микрометрического винта 8 с нонйусной шкалой, закрепленного на воздуховоде 1, и электрически сое 38 6динен с индикатором 9 тока. Внутри электрода 6 установлен аэрозольный фильтр 10 с проводящими волокнами. Воздушная полость. в электроде 6 за фильтром 10 соединена с воздуходувкой 11.Способ реализуется в данном устройстве следующим образом.В зонах зарядки обоих каналов создают электрические поля с напряженностями Е и Е 2, задавая потенциалЩ и-ц) на электродах 5 согласно2соотношению 1 Щ =Р 1 ф,1, где у ) 1. Напряженности нолей в каналах при этом также связаны соотношением Е= РЕ, а их векторы направлены в противоположные стороны относительно пластины 2 (фиг. 1) . Отношение напряженностей электрических полей Р выбирают в пре делах единиц-десятков. При малых значениях Р уменьшается разрешающая способность устройства, при больших увеличиваются составляющие погрешности, характерные для известного способа. Значения напряженности поля Е, выбирают в пределах нескольких кВ/см. В зонах зарядки обоих каналов обеспечивают фиксированное значение параметра зарядки С. Для этого задают потенциалы + 0, и - О на проводах источников 4 ионов, при которых выполняется соотношение 1 Р 111 гце 1, и - токи в цепи пластины 2, контролируемые поочередно микро- амперметром 3 и обусловленные ионными токами в зонах зарядки пер вого и второго каналов. При указанном равенстве размеров электродов 5 и сечений обоих каналов такое соотношение токов является достаточным для обеспечения фиксированного значения параметра зарядки Сй, В процессе измерения значения потенциаловФ( и- - напряженностиФО и -О подцергживаются постоянными за счет их стабилизации, соответствии со знаками потенциалов на одном из электродов 4 образуются ионы положительной полярности, а на другом - отрицательной. Генерируемые ионы втягиваются электрическими полями в зоны зарядки обоих каналов через сетчатые электроды 5, Поток исследуемого аэрозоля с помощью пластины 2 распределя ют в воздуховоде 1 по параллельным каналам. Проходя с потоком газа через зоны зарядки каналов, частицы аэрозоля приобретают электрический(10) РгПолученное отношением, )г, является средним размером частиц аэрозоля. В наиболее часто встречающемся на практике случае логарифмически нор р мального распределения частиц поразмерам это отношение совпадает соог - 1 средним кубическим радиусом =Г И 3 г,о15 хаРактеризующим распределение объема и массы частиц аэрозоля по размерам. Для частиц монодисперсного аэрозоля выражение (10) определяет их радиус. Величина М/(Е,) является постоянной устройства, которая может быть определена теоретически или при калибровке. Таким образом, средний размер аэрозольных частиц однозначно определяется формулой ( 1), совпадающей с выражением (10) по полученному значению отношения потоковВ другом варианте устройства реали( зующего предлагаемый способ (Фиг.2), электрод 6 с установленным в нем филь 30 тром 10 перекрывает все сечение воэдуховода 1. Первый из параллельных каналов перед зоной зарядки имеет обводной канал, в котором установлены последовательно по потоку воздуходувка 11 с регулируемой производи" З 5 тельностью, расходомер 12 и аэрозольный Фильтр 13.Способ реализуется в этом варианте устройства следующим образом.При выключенной воздуходувке 11 40 обеспечивается равенство потоков заряженных частиц Ч и Ч за счет одинаковых расходов газа й концентраций, При этом в соответствии с,выражениями (6) и (7) индикатор тока 9 реги 45 стрирует на электроде 6 положительный ток переноса. Это обусловлено большей напряженностью поля в первом каналеОтношение потоков заряженных частиц иФ изменяют путем уменьшения счетной концентрации аэрозоля 8 при равенстве расхоцов В и % газа через измерительный электрод 6 в обоих каналах. Для этого включают воздуходувку 11 и отфильтровывают от частиц с помощью фильтра 13 часть потока аэрозоля в.первом канале. Расход отфильтрованного газа Ъ 538 10контролируют расходомером 12, Отфильтрованный газ перед зоной зарядкивозвращаются в поток аэрозоля первогоканала, Таким образом, при постоянном расходе газа Ю 1 через измерительныи электрод б в первом канале изменяется счетная концентрация 1 частиц в потоке, связанная с концентрацией исследуемого аэрозоля и, соответственно, с концентрацией частиц 8 во втором канале соотношением Изменением производительности воздуходувки 11 регулируют расход отн Фильтрованного газа Ю 1 до взаимнои компенсации токов переноса 31 и Згконтролируемой по суммарному току переноса индикатором 9 тока. Затем определяют отношение расходов Ъ 1 ) В,отфильтрованного газа и полного потока в первом канале по расходомеру 12. При этом отношение 1 потоков заряженных частиц с учетом выражений (4), (5) и (11) определяется формулойн Средний размер аэрозольных частицопределяется по полученному значению3 с Формулой (1). Таким образом, предлагаемый способ измерения среднего размера аэрозольных частиц по сравнению с известным способом позволяет повысить точность измерения в области грубодисперсного аэрозоля путем учета всех составляющих заряда аэрозольных частиц на десятки процентов и использования одного режима зарядки с более близкими, чем в прототипе, напряженностями полей, а также повысить точность способа в результате использования нулевого метода измерения, позволяющего заменить процесс измерения малых токов в широком диапазоне на индикацию минимума тока и измерение относительного расхода или линейного перемещения в узком динамическом диапазоне, что достигается с точностью порядка 1 Е и со 1 вместить преимущества параллельного анализа, связанные с возможностью измерения размера в аэрозолях с изменяющимися во времени параметрами,11 с достоинствами последовательногоизмерения, связанными с использованием одного измерительнОго устрой 1100538 12ства, за счет параллельной зарядкичастиц и перераспределения их потоковна общий измерительный электрод.1100538 Юалж араон Составитель В. Алексееведактор Л. Пчелинская Техред А, Бабинец Корректор,О. Билак аказ 4573/3 5 лиал ППН "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 823 ВНИИПИ .Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Раушс