Способ измерения поверхностной концентрации аэрозоля

САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ но кий ннс т авиацитроения88.8)о А.П. Методы и при ния концентр 78, с. 63-68 с вид етел ьст 01 И 15/00, В.Е. и др. П ющей среды.с . 106-108 ции пыли,о СССР1973.иборы ОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЯ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ВТОРСНОМУ СОИДВтельСТВУ(56) 1. Клименк боры для измере М., "Химия", 19 2. Авторское У 385205, кл. С 3. Иапойлов контроля окружа Атомиздат, 1980 тотип).путем ионной зарядки потока аэрозольных частиц в электрическомполе и последующего измерения ихзаряда, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повьпнения точностиизмерения за счет устранения влияния диффузионной составляющей заряда, поток аэрозоля разделяют на двечасти с фиксированными расходами,одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую,причем для обеих частей потока поддерживают одинаковые значения параметра зарядки, определяемого какпроизведение абсолютной величиныионной производимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений зарядаобеих частей потокаИзобретение 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, установлен ным под углом к первоначальному направлению светового потока. Интенсивность светорассеяния при размере частиц, значительно превышающем длину волны светового излуче ния, пропорциональна квадрату радиуса каждой частицы и, следовательно поверхностной концентрации аэрозоля в освещаемом объеме 13.Недостатком данного способа яв ляется зависимость точности определения поверхностной концентрации от дисперсного состава аэрозоля, При размере аэрозольных частиц, меньшем длины волны излучения, интенсивность З 0 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 аэро 40 зольных частиц в поле коронного разряда и регистрации изменения коронного тока (.23.К недостаткам укаэанного способа следует отнести погрешности измерения, связанные с флуктуациями корон 45 ного тока, которые приводят к уменьшению отношения сигнал-шум и точнос ти определения при измерении малых концентраций аэрозоля.50Наиболее близким к изобретению является способизмерения поверхностной концентрации, включающий ионную зарядку аэрозольных частиц в электрическом поле с последующим 55 измерением их заряда. Измерение заряда частиц производят вне зоны зарядки З 3.При ионной зарядке частиц в электрическом поле общий заряд с 1 складывается из ударной (полевой) составляющей ц и диффузионной составляющеи Ч 2 ЦчгЗаряд ц , приобретаемый каждой1частицей в электрическом поле, принимают пропорциональным напряженности поля Е в зоне зарядки и квадрату радиуса г частицы, т.е. пропорциональным ее поверхности с 1 = З.Ег 2,(2) где д - постоянная ударной (полевой) зарядки. Таким образом, измеряемый суммарный заряд единицы объема аэрозоля считают пропорциональным ее поверхностной концентрации.Составляющая заряда ц 2 однозначно определяется произведением ионной Недостатком прототипа являетсяневысокая точность измерения концентрации частиц с размером менее1 мкм, обусловленная тем, что всуммарный заряд вносит вклад диффу"зионная составляющая зарядки, величина которой не пропорциональна поверхности частицы и является источником погрешности при измерении.Цель изобретения - повышениеточности измерения за счет устранения влияния диффузионной составляющей заряда частиц на результат измерения,Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу измерениФповерхностной концентрации аэрозоля,включающему ионную зарядку потокааэрозольных частиц в электрическомполе с последующим измерением ихзаряда, поток аэрозоля разделяютна две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают прибольшей напряженности поля, чемдругую причем для обеих частей потока поддерживают одинаковое значениепараметра зарядки, определяемого какпроизведение абсолютной величиныионной проводимости газа на времязарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разностиабсолютных значений заряда обеихчастей потока.(3) я=3 Г(сС) Гу где Л - постоянная диффузионной зарядки.Эта составляющая не пропорциональна поверхности 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 ляющне соизмеримы, а для частиц еще меньшего размера диффузионная составляющая Ч превышает ударную 1. 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 сг., но различной для каждой из частей напряженности поля Е. Одинаковое для каждой из частей значение параметра сГ. 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 О вых объемов аэрозоля двух частей потока пропорциональна только поверхностной концентрации в широком диапазоне размеров частиц. 1 О 20 Таким образом, предлагаемая сово купность операций позволяет обеспечить однозначную связь измеряемого заряда аэрозоля с его поверхностной концентрацией, в том числе и для аэрозоля с размером частиц менее 50 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 сг. поддерживают постоянным, на фиг, 2 з 11137проводимости с газа на времязарядки и радиусом Г частицы 2 4устройство, 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 ю . Зал та 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 потенциалыи.2 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 ц и Ъ, в общем случае не равными друг другу. Соотношение расходов 1И 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, Е 4 о Е 2 где о 1. Напряженности поля Е 4 и Е 2 однозначно определяются потенциаламиРи " и расстоянием от электродов 7.1 и 7.2 до перегородки 2. Источниками ионов являются коронирующие электроды 8. 1 и 8. 2, к которым приложены потенциалыи ф пре-Э5вышающие напряжение зажигания коронного разряда. Знак потенциалов ф иопределяет полярность генерируемых ионов, в рассматривае" мом устройстве она может быть любой. Одинаковое значение параметра зарядки с для обеих частей потока обеспечивают заданием потенциалов Ц и ф . Время зарядки й определяется отношением длины зоны зарядки 1 О к скорости частицы, движущейся с потоком, ионная проводимость с отношением плотности ионного тока 1113 25 59По известным фиксированным значе.ниям расходов /и К определяют разность абсолютных значений зарядов единичных объемов аэрозоля. Согласно формулам (4) и (5) она олределя 5 ется выражением(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-=1 32. Токи Д иконтролируют измерителем тока 9, В процессе измерения значения параметра сА поддерживают постоянными, питая электроды 7. и 7,2 8. 1 и 8 .2 стабилизированным напряжением. Благодаря одинаковым значениям параметра СФ частицы равного размера имеют на выходах зарядных камер 3.1 и 3.2 одинаковые диффу О зионные составляющие заряда и разные ударные составляющие. Заряженные частицы из обеих частей потока осаж" дают 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 Я и Рг .акопленные па коллекторах 5. 1 и 5.2 в единицу времени, определяются выражениямиСЮ ОЭО,ЗчЕ,Й(тЮаЬЗа%ГСЦМ/ЕУ)СГ 3%, Мо йгЪяй/"ЮСЗгЮЧ/1 Ы 43%ж,(Х)о а Э,45 где 1 - счетная концентрация частиц)Е(г)- плотность распределениявероятностей размеров частиц. 712Поскольку поверхностная концентрацияОоаэрозоля Мф 4 дй ггпуог то согласо фно 6), 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, подключенныйк 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 1 установлен нейтрализатор10 естественного заряда исследуемого аэрозоля, например, радиоизотопный источник ионов.Устройство работает следующим образом.Исследуемый аэрозоль пропускают через нейтрализатор 1 О 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 Фпри помощи проводящей перегородки 2, На электроды 7.1 и 8.1 подают потенциалы иположительной полярности, на электроды 7,2 и 8.2 потенциалыи ) отрицательной полярности, Потенциалы )иподдерживают постоянными, но не равными другдругу по абсолютной величине. Токив цепи перегородки 2 задают установкой потенциалови ) таким образом, что их отношение пропорционально отношению потенциаЛов и Щ , а следовательно, и напряженностей поля в обеих зонах зарядки. Этим обеспечивается одинаковость параметра с 1 для обеих частейпотока, которые затем объединяются. Раэнополярные заряженные частицыосаждаются иэ потока на коллекторе 5. Заряд, наведенный на электроде 4, равен алгебраической суммезарядов, накопленных на коллекторе5. Поскольку расходы в обеих частяхпотока одинаковы, то измеренный711 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 72, 8.1 и 8.2 поданы периодически изменяющиеся во времени потенциалы 9, и 9 )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 /, Потенциалы 9 и Ф на электродах 7, 1 и 7.2 синхронно изменяют по периодическому закону Ч (+Т) во времени. При этом периодически изменяются напряженности поля Е, и Е в зарядной секции каждой из камер 3.1 и 3.2. Для обеспечения постоянства параметра зарядки Й одновременно изменяют потенциалыи ф 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 , иЭто осуществляют заданием потенциалов ф и 9 от стабилизированных импульсных источников питания. 1 осле зарядки обе части потока объединяют, пропускают через 13712 8общий индукционный измерительныйэлектрод 4 и регистрируют индукцируемый заряд на этом электроде.Суммарный заряд Й единицы объема потока после зарядки согласноформулы (4) и (5) равен1 О(7)гдеЙ+Т) - периодическая функцияизменения напряженнос ти,Т - период изменения напряженности.Так как диффузионный заряд, учитываемый первым слагаемым в правой 20 части выраженияне изменяется впроцессе измерения, то он не регистрируется электрометром 6, такжекак и постоянный по величине естественный заряд исследуемого аэрезоля.25 Переменная составляющая сигналаЯ электрометра 6, определяемая ударной составляющей заряда, изменяетсяво времени по законуа -х(ев,Ф(17)н 1 тйГжсй 30Из формулы (8) следует, .что переменная составляющая сигнала пропорциональна только поверхностной кон- центрации аэрозоля. Для выделенияпеременной составляющей электрометр6 настроен на частоту 1 = 1/Т.Таким образом, во всех вариантахспособа повьппается точность измерения поверхностной концентрации аэро золя вследствие устранения влияниядиффузионной составляющей зарядачастиц на результат измерения.Предлагаемый способ позволяетповысить точность измерения поверхностной концентрации аэрозоля в диапазоне размеров частиц менее 1 мкмдо нескольких сотых долей мкм.1113712 8 омов т Заказ 6610/36 Тирак ВНИИПИ Государ по делам из113035, Москва, 822 Подписственного комитета СССбретений и открытийЖ, Раушская наб., д ал ППП "Патент", г. Уагород, ул . Проектна Составитель Д.Грлько Техред И.Аствлош Корректор М,Максимишинец