Устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ, ссздержащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц , состоящий из внутреннего электрода , псяключенного к источнику напряжения , и расположенного коаксиально с ним секционированного кол лектора , выполненного в виде изолированных одно от другого проводящих колец, а также блок измерения заряда, отличающееся тем, что. с целью повышения точности анализа путем устранения взаимного влияния зарядов на секциях коллектора при измерении и расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит запоминающий электрод, длина которого превышает длину коллек тора , и измерительный электрод, длина которого больше длины запоминающего , остановленные друг за другом с наружной стороны коллектора коаксиально с ним блок управления, электрометрическое реле и ключи, количество которых равно числу секций коллектора, причём каждая секция коллектора подключена к корпусу устpou jBa через нормально разомкнутые контакты ключей, запог-тнающий электрод подключен к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты реле, управляющие входы ключей и реле соединены с соответствунмциi ми выходами блока управления, а измерительный электрод подключен к (Л входу блока измерения заряда. 2.Устройство по п. 1, отлича-ющее ся тем, что, оно снабжено , 5iS - триггером и компаратором, вход которого подключен к выходу блока измерения заряда, а выход компаратора соединен с первым входом S - триггера, второй вхот которого подключен через инвертор и запускающую кнопку к корпусу устройства, О5 причем выход P.S -ттриггераподклгс 00 чен к входу источника напряжения, а.инверсный выход - к входу блока -4 . управления. 3.Устройство по пп. 1 и 2, о тлишающееся тем, что оно СО снабжено измерителем временного интервала, вход которого подключен к выходу RS- триггера.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (j9) SU (11) 1(51) G 01 К 15/02

ы

Г, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3452336/18-25 (22) 16.06.82 (46) 23. 01. 84. Вюл.93 (72) А.И.Дормидонов, И,И.Леонов и Б.И.Попов (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 539.215.4(088.8) (56) 1. Whitby Х.T., Ktark W.Е, ERectrie aегоsol particle counting

and size distribution measuring аузсет for the 0,015 to 4p size

range. Te tt us, 1966, 9 2, р. 572-586.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 890156, кл. Ct 01 M 15/02, 1980 (прототип) . (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА

ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ, содержащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц, состоящий.из внутреннего электрода, подклоченного к источнику напряжения, и расположенного коаксиально с ним секционированного коллектора, выполненного в виде изолированных одно от другого проводящих колец, а также блок измерения заря- " да, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности анализа путем устранения взаимного влияния зарядов на секциях коллектора при измерении и расширения функциональных воэможностей устройства, оно содержит запоминающий электрод, длина которого превышает длину коллек тора, и измерительный электрод, длина которого больше длины запоминающего, "становленные друг за другом с наружной стороны коллектора коаксиально с ним блок управления, электрометрическое реле и ключи, количество которых равно числу секций коллектора, причем каждая секция коллектора подключена к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты ключей, запоминающий электрод подключен к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты реле, управляющие входы ключей и реле соединены с соответствующими выходами блока управления, а Щ

O измерительный электрод подключен к входу блока измерения заряда.

2. Устройство по п. 1, о т л и чающее с ятем, что, оно снабжено, QS — триггером и компаратором, вход которого подключен к выходу блока измерения заряда, а выход компаратора соединен с первым входом

Q3 — триггера, второй вхоч которого подключен через инвертор и запускающую кнопку к корпусу устройства, причем выход )1$ -ттриггера- подклкчен к входу источника напряжения, а.инверсный выход - к входу блока .Управления.

3, Устройство по пп. 1 и 2 о т .л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено измерителем временного интервала, вход которого подключен к выходу QS- триггера.

106 8779

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определений размеров частиц и их концентраций, и может быть использовано в различных областях науки и техники для исследования состояния атмосферы и контроля запыленности газов, Известно устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содер". жащее установленные в заземленном 10 корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэроэольных частиц, выполненный в виде коаксиально- f5 го конденсатора, одна иэ обкладок которого является коллектором заряженных частиц, а также аэрозольный фильтр, задерживающий частицы, не осевшие на коллектор, соединенный с блоком измерения заряда. В зарядной камере осуществляется диффузионная зарядка частиц. Аэрозоль в аиде узкой струи в оболочке чистого воздуха поступает в анализатор подвижности, где при . заданной напряженности электрического поля частицы с раз.мером, меньшим некоторого предельного значения, осажцаются на коллектор частицы с размером, превышающим это предельное значение, задерживают ся на фильтре и измеряется их заряд.

Измерения повторяют при различных значениях напряженности поля. Полученная зависимость заряда на фильтре от напряженности поля в,:анализаторе подвижности характеризует интегральную функцию распределения частиц аэрозоля по размерам 111 .

Недостатками устройства являются невысокая точность анализа и ограниченные функциональные soaможности, связанные с видом полученной функции распределения. Приближенное графическое или аналитическое дифференцирование кривой, поэ- 45 воляющее оценить долю частиц в каждом интервале размеров, приводит к дополнительным погрешностям анализа и требует применения .вычислительных блоков. Последовательное во времени

0 накопление частиц отдельных фракций на коллекторе ограничивает примене" ние устройства при анализе аэрозолей с изменяющимися во времени параметрами.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для анализа дисперсного состава аэро золей, содержащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру,. формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц, состоящий из внутреннего электрода, подключенного к 65 источнику напряжения,. и расположенноI гв коаксиально с ним секционированного коллектора, выполненного в виде изолированных друг GT друга проводящих колец, а т а кже блок измерения заряда частиц, входы блока соединены с секциями коллектора. В анализаторе подвижности заряженные частицы под действием сил электрического поля отклоняются к коллектору. При малом отношении площадей струи анализируемого аэрозоля и струи чистого л . воздуха координата осаждения частицы на коллектор определяется только подвижностью, зависящей от размера чае" тицы. Таким образом, аэроэольные частицы распределяются по секциям коллектора в соответствии с размером.

Измеряя заряд, накопленный на каждой секции коллектора эа определенное время, получают количественную характеристику содержания. частиц в каждом узком интервале размеров, т.е. дифференциальную кривую распределения аэроэольных частиц по. разме- рам 21..

Однако для известного устройства характерны погрешности измерения концентрации аэрозольных частиц каждой фракции иэ-за дополнительного заря". да, наведенного соседними секциями коллектора. Кроме того, устройство не позволяет получать интегральную функцию распределения частиц по размерам, нормировать кривую распределения и определять общую концентрацию аэрозоля, что сужает его

;функциональные возможности. Получаемие при анализе аэрозолей данным устройством кривые распределения, не приведенные к одинаковой общей концентрации (ненормированные), затрудняют сравнеейие дисперсного состава различных аэрозолей.

Ц ель изобретения — повышение точности анализа путем устранения взаимного влияьия зарядов иа секциях коллектора. при измерении и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содержаI щее установленные в заземленном кор,пусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц, состоящий из внутреннего электрода, подключенного к источнику напряжения, и расположенного коаксиальнос ним секционированного коллектора, выполненного в виде изолированных одно от другого проводящих колец, а также блок Измерения заряда, дополнительно содержит запоминающий электрод,, длина которого превышает длину коллектора, и измерительный

10б 8779, электрод, длина которого больше дли ны запоминающего, установленные друг эа другом с наружной стороны коллектора коаксиально с ним блок управления, электрометрическое реле и ключи, количество которых равно числу секций коллектора, причем каждая секция коллектора подключена к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты ключей, запоминающий электрод подключен к корпусу 10 устройства через нормально разомкнутые контакты реле, управляющие входы ключей и реле соединены с соответствующими выходами блока управления, а измерительный электрод под- 15 ключен к входу блока измерения заряда.

Кроме того, устройство снабх<ено

OS - триггером и компаратором,, вход которого подключен к выходу блока измерения заряда, а выход компаратора соединен с первым входом RS- триггера, второй вход которого подключен через инвертор и запускающую кнопку к.корпусу устройства, причем выход Я -. триггера подключен к входу источника напряжения, а инверсный выход — к входу блока управления.

При этом устройство снабжено измерителем временного интервала, вход которого подключен к выходу RSтриггера.

- Благодаря использованию для иэмервйия наведенных на запоминающем и измерительном электродах зарядов и определенной последовательности снятия зарядов с секций коллектора и запоминающего электрода, задавав= мой, исходя из требуемого вида функции распределения частиц по размерам, устраняется взаимное влияние зарядов 40 на коллекторе и расширяются функциональные возможности устройства.

На фиг. 1 схематично показан вариант выполнения устройства для анализа дисперсного состава аэрозолей1 45 на фиг. 2 — временные диаграммы работы ключей и электрометрическаго реле и диаграммы изменения напряжения

U y на выходе блока измерения заряда в режиме пост ров ния ди ффере нциальной характеристики распределения; на фиг. 3 - то х<е, в режиме построения интегральной характеристики и режиме определения содержания частиц размером а; на фиг. 4 — то х<е, в режиме определения содержания частиц размером болев, чем а, Уровни логической единицы на входах клю .: и электрометрического реле соответствуют замкнутым контактам

"кл3очей и реле.

Устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содержит установленные в корпусе 1 последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру 2, формирователь 3 потока 65 аэрозоля и воздуха и айализатор подвижности аэрозольных частиц. Зрядная камера.2 мох<ет быть выполнена в виде системы электродов униполярного коронного разряда или радиоиэотопной ионизационной камеры. Формирователь 3 представляет собой, например, аэрозольный фильтр, пропускающий частицы в узкой кольцевой зоне, внутренний диаметр которой равен диаметру внутреннего электрода 4, и задерживающий частицы в остальнай части газохода.:Электрод 4 в виде трубы или стержня, подключенный к источнику 5 постоянного напряжения, и установленный коаксиально с ним секционированнйй коллектор б из изолированных проводящих колец образует анализатор подвижности. Количество секций коллектора б определяется заданной точностью ступенчатой апроксимации кривой распределения (в показанном на фиг, 1 примере число колец для простоты ограничено пятью). Каждое кольцо коллектора б подключенб к корпусу 1 через нор» мально разомкнутые контакты соответствующих ключей 7, выполненных в виде механических преключателей или магнитоуправляемых контактов. С на- .. ружной стороны коллектора б установлены коаксиально с ним последовательно друг за другом цилиндрические запоминающий электрод 8 и измерительный электрод 9. Длина электрода 8 превышает длину коллектора б, а длина электрода 9. больше длины электрода 8. Электрод Ь подключен к корпусу 1 через нормально разомкнутый контакт электрометрического реле 10, например, типа РВ - 4, в качестве реле может использоваться также магннтоуправляемый контакт с малым значением шумового заряда, генерируемого при размыкании. Измерительный электрод 9 подключен к входу блока 11 измерения заряда. Управляющие входы ключей 7 и реле 10 подключены к соответствующим входам блока 12 управления. Блок 12 .управления может быть выполнен в виде набора переключателей, замыкаемых оператором в определенной последовательности, или схемы на логических элементах, обеспечивающей требуемую последовательность выдачи управляющих сигналов с блока 12 управления на ключи 7 и реле 10 без участия оператора.

Кроме того, устройство дополнительно содержит Q$ — триггер 13 и компаратор 14, Вход компаратора 14, подключен к выходу блока 11 измерения заряда, а выход — к входу установки нуля Рф — триггера 13.

Вход 3 установки единицы Й3 — триггера 13 подключен через инвертор 15

1068779 и запускающую кнопку 16 к корпусу 1 устройства.

Причем в устройство введен измеоитель 17 временного интервала, вход которого подквчен к выходу Я.8 ,триггера 13. 5

Устройство работает следующим образом.

Поток анализируемого аэрозоля про. пускается через устройство с постоянной скоростьв-. В зарядной камере 2 10 частицы приобретают униполярный электрический заряд, при этом электрическая подвижность частиц становит" ся зависимой от их линейного размера, Например, при диффузионной зарядке 35 подвижность частиц монотонно убывает с ростом размера. При прохождении через формирователь 3 образуется узкая струя аэрозоля в оболочке чистого воздуха, что позволяет зафиксировать начальные координаты частиц относительно коллектора б. При включении источника 5 напряжения частицы смещаются вдоль силовых линий электрического поля от электРода 4 к. коллектору 6. При фиксированной начальной координате на каждом кольце коллектора б осаждаются частицы близких подвижностей. Таким образом, заряд < . частиц, осажденных на каждой секции коллектора б, опреде" ляется концентрацией частиц узкого интервала размеров, а распределение зарядов по -секциям определяется распределением концентрации частиц по размерам.в исследуемом аэрозоле»

При постоянном расходе аэрозоля через устройство заряд q< и суммарный заряд Ц частиц, осажденных на коллекторе б, нарастают Во времени по линейному закону. Заряд Qg вызы- 40 вает появление наведенного заряда Ц6 на электроде 8, а заряд (), наводит заряд Qq на электроде 9, который непрерывно измеряется блоком 11 измерения заряда. Напряжение ()6<,, на 45 выходе блока 11 измерения заряда также изменяется по линейному закону (фиг. 2, 3 и 4), Наведенные заряды Я и Цр равны суммарному накопленному"заряду ((<, поскольку коэф- . я)

Фициент передачи системы электродов .стремится к единице при длине элект рода 8, превышающей длину коллектора 6, й. длине электрода 9, большей длины электрода 8. Крутизна нарастания напряжения U x, определяется концентрацией аэрозоля. Через опреде-, ленное время T выключают источник 5 напряжения, при этом прекращается осаждение частиц на коллектор 6.

Нид получаемой характеристики распределения определяется режимом рабо ты блока 12 управления.

Дифференциальную кривую распределения получают следующим образом (Фиг. 2), С выхода блока 12 управле- 65 ния на время. сЖ подают питание на о мотку электрометрического реле 10.

При этом замыкаются. нормально разомкнутые контакты реле 10 и на корпус 1 снимается свободный наведенный заряд Qg электрода 8. На электроде 8 остается равный ему по величине и противоположный по знаку заряд, связанный с зарядом (6 на коллекторе б.

Поскольку свободные заряды на электроде 8 бтсутствуют, заряд на электроде 9 не наводится, и напряжение Ц(<<<,< блока 11 измерения заряда Определяется только собственным дрейфом и шумовым зарядом, возникающим при размыкании контактов реле 10, например, вследствие контактной разности потенциалов. Данную составляющую помехи минимизируют за счет выбора малсшумящего реле 10 и ограничения минимального значения времени накопления заряда Т, После размыкания контактов реле 10 по сигналу с выхада блока 12 управления замыкается один иэ кпючей 7,, при этом на заземленный корпус 1 снимается заряд ф с кольца, соединенного с этим ключом. На запоминающем электроде 8 освобождается часть связанных зарядов, численно равная Щ, но противоположного знака, которая вызывает по< явление на измерительном электроде 9 такого же наведенного заряда. Напряжение 0 характеризует концентрацию Фракции частиц, осажденных на кольце. Запомненный на электроде 8 заряд этой фракции снимается на корпус 1 при последующем включении реле 10 с блока 12 управления. После замыкания другого ключа измеряется заряд следующей фракции частиц на соответствующем кольце. Таким образом, получают временную диаграмму 06<< <(-), соответствующую ступенчатой апроксимации дифференциальной кривой распределения частиц аэрозоля по размерам.

Характеристику аэрозоля, соответствующую интегральной функции распределения частиц по размерам, получают следующим образом (фиг. 3).- После накопления частиц на коллекторе б в течение времени Т .с блока 12 управления включают на время at реле 10. Через замкнутые контакты реле 10 свободные наведенные заряды электрода 8 снима-. ются на корпус 1. На электроде 8 осе» таются. заряды, связанные с зарядами на коллекторе 6, наведенный на электроде 9 заряд и напряжение U g отсутствуют. После размыкания кон-. тактов реле )О полсигналу с блока 12 управления замыкается первый ключ 7, напряжение ()@бу при этом пропорционально содержанию в анализируемом аэрозоле наиболее мелких частиц, осажденных на первом кольце. Затем с блока 12 управления включают вто106 8779 рой ключ. Через замкнутые контакты этого ключа на корпус 1 снимается заряд со второго кольца. Н а электроде 8 появляется дополнительный свободный заряд, определяемый количеством заряженных частиц на данном 5 кольце. Общий свободный заряд на электроде 8, соответствующий ему наведенный заряд на электроде 9 и напряжение Щ определяются содержанием частиц размером до а, где а максимальный размер частиц,,осажденных на втором кольце коллектора б. После последовательного включения с блока 12 управления ключей 7 получают временную диаграмму 15

Ц „ (+), соответствующую ступенчатой апроксимации интегральной кривой распределения частиц аэрозоля по размерам.

Концентрацию частиц размером, например, более а> определяют следующим образом (фиг. 4). После накопления заряда частиц на коллекторе б с блока 12 управления выдают сигнал на одновременное включение реле 10 и трех ключей 7. При этом снимаются на корпус 1 заряды на трех кольцах коллектора 6 и свободный наведенный заряд с электрода 8. На электроде 8 остаются заряды противоположного знака, связанные с зарядами ф и с э частиц, осажденных на четвертом и пятом кольцах б. После разьыкания контактов реле 10 снимают заряды с соответствующих колец, замыкая с блока 12 управления связанные с ними ключи 7, на корпус 1. При этом на электроде 8 освобождается связанный наведенный заряд, который наводит равный ему заряд на электроде 9.

Поскольку на четвертом и пятом коль- 40 цах осаждены частицы аэрозоля с размером более а, напряжение 05gy характеризует концентрацию частиц анализируемого аэрозоля с размером более Oз . 45

Введение компаратора 14 и R3триггера 1Э (фиг. 1) позволяет нормировать пс лучаемае характеристики аэрозоля, т.е. привести их к одной концентрации. При замыкании запус- . 5п кающей кнопки 16 на входе RS- триггера 13 появляется сигнал логической единицы, на выходе 98 — триггера 13 .также формируется сигнал ло-. гической единицы, включающий источ- . ник 5 напряжения, а на инверсном выходе RQ — триггера 13 — сигнал логического нуля, отключающий блок 12 управления. Выходное напряжение О блока ll измерения заряда, пропорциональное заряду частиц, накапливаемых на коллекторе 60 нарастает с различной скоростью в зависимости от концентрации аэрозоля.

При достижении напряжения 0, превышающего установленный порог U» срабатывания компаратора 14 (фиг ° 2, 3 и 4), на его выходе появляется сигнал логической единицы. На выходе $- триггера.13 устанавливается уровень логического нуля, выключающий источник 5 напряжения, а на инверсном выходе - уровень логической единицы, включающий блок 12 управления. Таким образом, при различных концентрациях анализируемого аэрозоля обесПечивается одинаковая представительность отобранной пробы и, следовательно, одинаковая точность аналиэа дисперсного состава.

Введение измерителя 17 временно ; го интервала, шкала которого.отградуирована в единицах концентрации аэрозоля, позволяет измерять абсолютные значения концентрации. Измеритель 17 временного интервала включается 1$ — триггером 13 одновременно с источником 5 напряжения и выключается при достижении нормированного значения заряда на коллекторе б, фиксируя время накопления, обратно пропорциональное концентрации анализируемого аэрозоля.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет по сравнению с известным без применения средств вычислительной техники определять дифференциальные и интегральные характе. ристики.. распределения частиц аэрозоля по размерам. Изобретение позвсляет также определять значение общей концентрации аэрозоля и нормировать функции распределения по общей концентрации.

106 8779

1068779

1068779

Составитель В.Алексеев

Редактор О.Бугир Техред N.Tåïåð Корректор О.Тигор

Заказ 11452/37 Тираж 827 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4