Анализатор подвижности аэрозольных частиц

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) 3{511 G 01 N 15/02 р.y Нй,-

l 1i t тюк 11бГ 41 - ""-""

° ÂÂË йНТ""

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ 4 .»

Л—

/ + d õ о Е(х

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3452027/18-25 (22)11.06.82 ,(46) 07.02 ° 84. Бюл. Â 5 (72) A.И.Дормидонов, И.И.Леонов и Б.И.Попов (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 543.275(088.8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР

9 550560, кл. G 01 N 15/02, ° 1975.

2. Hewitt С.W. The Charging of

Small Particlis Гсг Electrostatic

Precipitation.-AIEE Trans, 76, 1957, р. 300.

3. Калакутский Л.И., Подольский A.A. Исследования по электропреципитации и индукционному измерению зарядов порошка. — В кн.: Методы, приборы и системы контроля производственной среды. Л., ЛЭТИ, 1976, с. 11 — 20 (прототип). (54)(57) 1. АНАЛИЗАТОР ПОДВИЖНОСТИ

АЭРОЗОЛЬНЬИ ЧАСТИЦ, содержащий расположенные в газоходе формирователь ламинарного потока аэрозоля и конденсатор поперечного электрического поля, состоящий из потенциального электрода, подключенного к источнику напряжения, и заземленного электрода, а также коллектор заряженных частиц, связанный с измерительным блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения точйости анализа, формирователь ламинарного потока аэрозоля выполнен в виде рас положенных между потенциальным и заземленным электродами идентичных по форме и параллельных потенциальному электродов со щелевыми отверстиями, передняя и задняя кромки которых расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению .потока, а ширина одинакова и не превышает ширины щелевого отверстия, выполненного в заземленном электроде, под которым расположен коллектор заряженных частиц, причем расстояние от входного сечения конденсатора до задней кромки каждого щелевого отверстия электродов формирователя ламинарного потока аэрозоля задано уравнением где 1- = 1,..., n — .порядковый номер электрода формирователя ламинарного потока аэрозоля, отсчитываемый от по- д тенциального; Щ расстояние от входного се- у чения до задней кромки ще- Ц ф левого отверстия в заземленном электроде1 расстояние между потенциальным и заземленным электро- 2 дами;

М вЂ” расстояние от потенциального электрода до i-го; (х) — напряженность электрического поля в конденсаторе на расстоянии х от потенциального электрода.

2. Анализатор по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что электроды выполнены в виде плоских параллельных пластин.

3. Анализатор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что электроды выполнены в виде коаксиальных цилиндI .ров.

4. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что на входе конденсатора поперечного электрического поля установлен аэрозольный фильтр, перекрывающий часть его входного сечения между заземленным и ближайшим к потенциальному электро1071947 дЬм формирователя ламинарного потока аэрозоля.

5. Анализатор по пп. 1 и 2, о т — . л и ч а ю шийся тем, что каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий потенциал 9i, на каждом из электродов согласно соотношению и 3@%

0„4 -Мъ

10 низкую точность анализа при малых концентрациях аэрозоля.

Известен анализатор подвжностк, содержащий расположенный в гаэоходе конденсатор поперечного электричес20 кого поля, состоящий из потенциального и заземленного электродов, в одном из которых выполнено щелевое отверстие, соединенное газоходом с измерительным блоком. На входе кон25 денсатора газоход разделен на две части, в одну из которых через аэрозольный фильтр подается чистый гаэ, а в другую — исследуемый аэрозоль.

Впуск аэрозоля в поток чистого газа

30 производится в узкой зоне, площадь которой составляет несколько процентов от входного сечения конденсатора, что позволяет задать начальную координату частиц. Поток чистого газа ламинариэуется аэрозольным фильтром, а в самом конденсаторе обеспечивается эа счет ограничения скорости потока и проходного сечения газохода. Аэрозольные частицы, 40 двигаясь с потоком в осевом направлении, осаждаются на электрод со щелевым отверстием на разных расстояниях от входного сечения, определяегде U — потенциал, приложенный к по тенциальному электроду.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения параметров аэрозолей и может быть использовано в различных областях науки и техники, например для исследования процессов зарядки аэрозолей, измерении электрических характеристик атмосферного аэрозоля, при определении дисперсного состава аэрозолей.

Известен анализатор подвижности азрозольных-частиц, содержащий расположенный в газоходе конденсатор поперечного электрического поля, -состоящий из потенциального и заземленного электродов, а также коллектор заряженных частиц, связайный с измерительным блоком. В анализаторе подвижности поток аэрозоля проходит через все сечение конденсатора.

В поперечном электрическом поле заряженные частицы отклоняются к одному из электродов. Хаотичное движение частиц в поперечном направлении исключается при ламинарном характере потока, который в данном анализаторе обеспечивается за счет ограничения максимальной асорости потока и проходного сечения конденсатора. При заданной скорости потока и напряженности электрического поля на коллекторе осаждаются все частицы с подвижностью, большей некоторого предельного значения К„щ„„, а также определяющая погрешнОсть анализа часть частиц с подвижностью, меньшей :".мА, что обусловлено различными координатами частиц во вход ном сечении конденсатора. Измерительным блоком регистрируется часть частиц, увлекаемых из конденсатора потоком; После обработки результатов измерения можно получить характеристику распределения частиц по подвижности 111.

6. Анализатор по пп. 1 и 3, о тл и ч а ю щ и и с ° я тем, что, каждый электрод формирователя ламинарно.".

ro потока аэрозоля подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий потенциал 0 на каждом из электродов согласно соотношению где г — радиус внутреннего потенцициального электрода.

Недостатком данного анализатора является низкая точность, обусловленная неопределенностью координаты осаждения частиц одинаковой подвижности вследствие их различного положения во входной сечении конденсатора. Обработка результатов измерения позволяет уменьшить эту составляющую погрешности анализа лишь при заранее известном законе распределения. Кроме того, ограничения на скорость потока и проходное сечение газохода определяют малый объем анализируемой пробы и, как следствие, мых их подвижностью. В щелевое отверстие попадают частицы узкого диа1071947

Источником значительной погрешности анализатора является изменение спектра подвижности анализируе мых аэрозолей вследствие осаждения

65 пазона подвижностей, ограниченного предельными при данной скорости потока и напряженности поля значениями

Kmin и К „ . Частицы отсасывают-ся в измерительный блок, выполненный в виде фотоэлектрического счетчика, где измеряется их концентрация. По концентрации частиц при разных значениях напряженности поля определяют распределение аэрозольных частиц по подвижностям r21. 10

Недостатками такого анализатора являются трудоемкость эксплуатации и невысокая точность вследствие необхо димости обдува струи аэрозоля чистым газом и сложности балансировки пото- -15 ков аэрозоля и чистого газа, каналы которых имеют различное гидродинамическое сопротивление. При изменении скоростей подаваемого аэрозоля или газа появляется погрешность анализа.

Для анализатора характерныдополнительные погрешности, связанные с искажением потока и электрического поля над желевым отверстием электрода.

Указанные факторы ограничивают точность данного анализатора подвижности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является анализатор подвижности аэрозольных частиц, содержащий расположенные в газоходе формирователь ламинарного потока и конденсатор поперечного электрического поля, состоящий из потенциального . электрода, подключенного к источнику напряжения, и заземленного электрода, а также коллектор заряженных частиц, связанный с измерительным блоком. В известном устройстве формирователь ламинарного потока аэрозоля 40 представляет собой ламинаризирующую решетку и аэрозольный фильтр, установленные последовательно по потоку аэрозоля перед входом в конденсатор.

Фильтр перекрывает большую часть се- 45 чения газохода. При пропускании аэрозоля в неперекрытой фильтром части сечения газохода формируется узкая. струя аэрозоля в потоке чистого газа. Начальные координаты частиц во 50 входном сечении ограничены стенками аэрозольного фильтра. На участках коллектора заряженных частиц, расположенных вдоль направления потока, ;осаждаются частицы с близкими подвиж. 55 ностями. Измеряя измерительным бло ком выполненным в виде электрометУ

;ра, заряды частиц, накопленных на ,каждом участке коллектора, определяют распределение частиц по подвижностям СЗЗ. частиц на стенки узких каналов формирователя ламинарного потока аэрозоля. Осаждение вызвано броуновским движением частиц, силами электрического взаимодействия, силой тяжести.

Поскольку на частицы разных подвижностей эти силы действуют неодинаково, при прохождении заряженных частиц через узкий канал изменяется характер распределения. Необходимость сохранения ламинарного потока по всей длине конденсатора ограничивает максимальную скорость потока.

Это обусловливает малый объем анализируемой пробы при заданном времени накопления заряда на коллекторе и низкую точность анализа аэрозолей малых концентраций.

Цель изобретения - повышение точности анализа.

1,..., 1 — порядковый номер электрода формирователя ламинарного потока аэрозоля, отсчитываемый от потенциального;

В - расстояние от входного сечения до задней кромки щелевого отверстия в заземленном электроде; расстояние между потенциальным и заземленным электродами; где

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем расположенные в газоходе формирователь ламинарного потока аэрозоля и конденсатор поперечного электрического поля, состоящий из потенциального электрода, подключенного к источнику напряжения, и заземленного электрода, а также коллектор заряженных частиц, связанный с измерительным блоком, формирователь ламинарного потока аэрозоля выполнен в виде расположенных между потенциальным и заземленным электродами идентичных по форме и параллельных потенциальному электродов со щелевы-. ми отверстиями, передняя и задняя кромки которых расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению потока, а ширина одинакова и не превышает ширины щелевого отверстия, выполненного в заземленном электроде, под которым расположен коллектор заряженных частиц, причем расстояние от входного сечения конденсатора до задней кромки каждого щелевого отверстия электродов формирователя ламинарного потока аэрозоля задано уравнением

1071947

Xq — расстояние от потенциального электрода до -го; Я- напряженность электрического поля в конденсаторе на расстоянии х от потенциального электрода.

5 (2) Ui 1ч-х

U b

30 где U — потенциал, приложенный к потенциальному электроду.

Каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля, выполненный в ниде цилиндра, может быть 35 подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечиваюций потенциал Ui на каждом из электродов согласно соотношению

40 (3) где r — радиус внутреннего потенциального электрода.

Предлагаемый анализатор подвижности позволяет повысить точность анализа распределения аэрозольных частиц по подвижностям за счет формирования ламинарного потока в самом конденсаторе поперечного электрического поля с помощью набора параллельных потоку электродов. При этом исключаются искажения спектра подвижностей при больших скоростях потока в конденсаторе и объемах анализируе- мой пробы. Система щелевых отверстий в ламинаризирующих электродах, расположенных по траектории движения частиц, обеспечивает накопление на кол- 60 лекторе заряженных частиц близких подвижностей и ограничивает разброс их входных координат.

На фиг. 1 показан анализатор подвижности, один из вариантов выполнеВсе электроды анализатора могут быть выполнены в виде плоских параллельных пластин. 10

Все электроды анализатора могут быть выполнены также в виде коаксиальных цилиндров.

На входе конденсатора поперечного электрического поля может быть установлен аэрозольный фильтр, перекрывающий часть его входного сечения между заземленным и ближайшим к гготенциальному электродом формирователя ламинарного потока аэрозоля, Каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля, выполненный.в виде плоской пластины, может быть подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий потенциал О на каждом иэ электродов согласно соотношению ния; на фиг. 2 — то же, второй возможный вариант выполнения.

Анализатор подвижности содержит расположенный в газоходе 1 конденсатор поперечного потоку аэрозоля электрического поля, состоящий из потенциального электрода 2 и заземленного электрода 3. Потенциальный электрод 2 подключен к источнику 4 постоянного напряжения. Анализатор может быть установлен в потоке аэрозоля или для создания потока служит воздуходувка 5, установленная на выходе конденсатора. Формирователь ламинарного потока аэрозоля выполнен н виде набора из двух электродов б и 7, идентичных по форме и параллельных потенциальному электроду

2 и расположенных между электродами

2 и 3. При плоском потенциальном электроде 2 электроды б и 7 выполнены н виде металлических пластин (фиг. 1), при потенциальном электроде 2 в виде цилиндра электроды б и

7 представляют собой коаксиальные ему проводящие цилиндры (фиг. 2).

Электроды б и 7 могут быть изолиронанными или подключаться к источнику 4 напряжения через аттенюатор 8 (фиг. 1) . Аттенюатор 8 обеспечив6ет потенциалы на каждом электроде б согласно соотношению (2) в случае плоских электродов или согласно соотношению (3) для цилиндрических электродов. В электродах б и 7 выполнены щелевые отверстия одинаковой ширины, передняя и задняя кромки которых расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению потока.

Для плоских пластин форма щелевых отверстий прямоугольная, н цилиндрических электродах б и 7 целевые от верстия могут быть выполнены по кольцу или его части. Ширина целевого отверстия заземленного электрода 3 больше или равна ширине щелевых отверстий в электродах б и 7. Выражения, задающие положение задних кромок щелевых отверстий в электродах б и 7, в частных случаях (фиг. 1 и 2) соответственно имеют нид (4) а и

Из выражений (4), (5) следует, что задние кромки всех щелевых отверстий плоских электродов 3, б и 7 лежат на одной прямой, а при цилиндрических электродах б и 7 расположены по параболе. Под щелевым отверстием заземленного электрода 3 установлен коллектор 9 заряженных частиц в виде плоской пластины (фиг. 1) ,или кольца, коаксиального электроду

1071947 (7) 45 (8) 4ж " ц.—.— (g> г )

V Ыг

К Ц а

Из выражений (4 ), (5) и (7), (8) следует, что кромки щелевых отверстий электродов б и 7 при заданной скорости потока V и потенциале О, приложенном к потенциальному электроду 2, лежат на тракторри движения 55 частиц определенной подвижности К .

Параллельные кромки щелевых отверстий равной ширины в электродах б и

7 ограничивают сечение потока частиц этой подвижности на коллектор 9. При 60 этом ограничивается также часть входного сечения, определяющая область значений начальных координат Хо из которого могут попадать частицы на коллектор 9. Ширина спектра выде3 фиг. 2). Коллектор 9 связан с измерительным блоком 10, например измерителем заряда или массы осажденных частиц. На входе конденсатора может быть установлен аэрозольный фильтр 11, например электростатический, перекрывающий часть входного сечения конденсатора между заземленным электродом 3 и ближайшим к ,потенциальному электродом б (фиг.1) .

Анализатор подвижности работает следующим образом.

Поступающий в газоход 1 анализируемый аэрозоль прокачивается воздуходувкой 5 через конденсатор, образованный потенциальным электродом 2 15 и заземленным электродом 3. На потенциальный электрод 2 от источника

4 напряжения подается постоянный потенциал. Количество электродов б формирователя ламинарного потока 20 обеспечивает прохождение аэрозоля через конденсатор без перемешивания слоев при заданном расходе. Попадая во входное сечение конденсатора, аэроэольные частицы движутся вместе с потоком со средней по сечению скоростью и одновременно смещаются вдоль силовых линий электрического поля к заземленному электроду 3 со скоростью Ч„= К Е(х, где К вЂ” подвиж- 30 ность частицы. уравнение траектории движения частицы можно записать в следующем виде

Х

Хо где ц — расстояние от частицы Ло входного сечения конденсатора; Xo — начальная координата частицы во входном сечении.

Уравнения движения частицы в поле плоского и цилиндрического конденсатора соответственно имеют вид ляемого на коллекторе 9 диапазона подвижностей от Кмис Ло К д, определяется расположением и шириной щелевых отверстий в электродах 6 и 7 фиг. 1). Из части входного сечения, прилежащей к заземленному электроду

3, могут проходить на коллектор 9 частицы малых подвижностей. Долю этих частиц можно учесть при анализе, уменьшить путем ограничения входного сечения этих частиц, например, за счет неравномерного шага набора электродов 6 и 7 (фиг. 21 или с помощью аэрозольного фильтра 11, перкрывающего часть входного сечения между электродами 3 и 6 (фиг. 1).

При этом аэрозольный фильтр 11 не влияет на анализируемую часть потока аэрозоля. При высоких концентрациях аэрозоля или при большом времени накопления заряда на коллекторе электрическое поле может искажаться вследствие накопления заряда на электродах 6 и 7. Для исключения накопления заряда их можно подключить к источнику 4 напряжения через е! аттенюатор 8 фиг. 1) . Электрическое поле конденсатора не искажается если потенциал приложенный к элект-! родам формирователя ламинарного потока, задается в соответствии с выражениями (2) и (3), т.е. пропорционален расстоянию до заземленного электрода 3 ь плоском конденсаторе или определяется логарифмическим законом в цилиндрическом. Как следует из уравнений траектории движения частиц (6>,(7) и 8) при изменении скорости потока или потенциала приложенного к электроду 2, на коллекторе 9 из того же сечения регистрируются частицы другой подвижности.

Измеряя заряд или массу частиц на коллекторе 9 при каждом значении потенциала или скорости потока измерительным блоком 10, получают концентрацию частиц в каждом диапазоне подвижностей, т.е. функцию распределения анализируемого аэрозоля по подвижностям, а при однозначной зависимости между размером частиц и подвижностью — дисперсный состав аэрозоля.

По сравнению с известным устройство позволяет полностью устранить составляющую погрешности анализа, связанную с осаждением частиц в узких каналах при формировании струи аэрозоля в потоке чистого газа. Ламинарность потока обеспечивается в предлагаемом анализаторе при значительно больших расходах анализируемого газа за счет возможности увеличения проходного сечения и количества h электродов формирователя ламинарного потока, что позволяет повы10

1071947 (М

10 Из отношения (9) следует, что расход анализируемого аэрозоля можно а, увеличить за счет на величину

tlat/ Р.

Поток аэрозоля

Фиг. 1

/lump агрос

Составитель В.Алексеев

Редактор Н.Данкулич Техред М.Гергель Корректор С.Шекмар

Заказ 110/36 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 сить представительность пробы и точность анализа малых концентраций аэрозоля. Так, например, для анализатора подвижности, выполненного с плоскими параллельными электродами, расположенными с равномерным шагом, условие ламинарности потока можно записать в следующем виде

= ф (n —, 1, где М вЂ” критерий Рейнольдса для предлагаемого устройств

@ р = 2300;

Расход, соответствующий критическому числу Рейнольдса без формирователя ламинарного потока; допустимый расход с формирователем; периметр сечения газохода; ширина электродов.