Способ измерения среднего размера аэрозольных частиц

 

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 и с я тем, что, с целью повыше- . ния точности измерения в области грубодисперсного аэрозоля, 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 отношение потоков при скомпенсированных токах, а средний размер г частиц определяют по формуле . ц. 1 р. ) где od и р - постоянные диффузионного и ударного законов (Л зарядки соответственно-, Е, напряженность поля в первом канале; ,k отношение потоков заряженных частиц из первого и второго каналов на измерительный электрод, Р отношение напряженностей электрических полей в первом и втором каналах.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

0% (И) 3GD С 01 N 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где Жи Р постоянные диффузионного и ударного законов зарядки соответственно напряженность поля в первом канале отношение потоков заряженных частиц из первого и второго каналов на измерительный электрод, отношение напряженностей электрических полей в первом и втором каналах. с:

j !.k

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3607578/18-25 (22) 22.06.83 (46) 30.06.84. Бюл. Р 24 (72) .Б.И. Попов, А.И. Дормидонов, Б;Ю. Кольцов и И.И. Леонов (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 543.275(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N - 365631, кл. G 01 N 15/02, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

М 894480, кл. G 01 N 15/00, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

У 879405, кл. G 01 N 15/00, 1980 (прототип) ° (54)(57) СПОСОБ ИЗИЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО

РА3МЕРА 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 и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения .в области грубодисперсного аэрозоля, 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 отношение потоков при скомпенсированных токах, а средний размер г частиц определяют по формуле

1--—

Р " к-1 7

1100538

Изобретение относится к способам измерения 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 отборе проб аэрозоля по двум параллельным каналам с различными режимами течения газа и последующей регистрации в каналах концентраций частиц двух различных фракций, по соотношению которых судят о среднем размере частиц (11 .

Однако соотношение концентраций двух различных фракций не позволяет строго определить ни один из средних размеров частиц, испс(льзуемых при точном описании аэродисперсных си" стем. Поэтому данный способ используется лишь для качественной оценки дисперсности аэрозолей. Кроме того, .значительные технические трудности представляет разделение аэрозольных частиц в потоке на тонко-. и грубо30 дисперсную фракции с достаточной для измерительных целей точностью.

Известен также способ измерения среднего размера аэрозольных частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля в диффузионном режиме за35 рядки, определении доли заряженных частиц и регистрации параметра зарядки, определяемого как произведение ионной проводимости газа на время

40 зарядки, по значению которого и до-. ле заряженных частиц судят о их среднем размере (2J .

Однако указанный способ позволяет измерять с достаточной точностью

45 лишь средний размер высокодисперсных аэрозолей в интервале от тысяч-, ных до десятых долей микрона. Аэрозольные частицы размером в десятые доли микрона и более практически все приобретают электрический заряд, при 5О этом доля заряженных частиц приближается к единице, что не позволяет использовать способ .для контроля грубодисперсного аэрозоля, содержащего частицы больших размеров. Недостатком способа является также сложность регистрации 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 аэрозольных 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 переноса 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 Ct (где С вЂ” ионная проводимость. газа," t — 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, 1 содержащих частицы с размером до

5 мкм (3).

Недостатком известного способа является низкая точность определения среднего размера в области грубодиснерсного аэрозоля, содержащего

1100

538 4 составляющих 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 I мкм.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднего размера аэрозольных частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значении

I параметра 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 формуле

Оь г- =—

РЕ |,4 (1)

10 тока, F, — напряженность электрического поля), следует, что для обеспечения фиксированных значений проводимости С в разных режимах зарядки требуются источники ионов с существен40 но различной производительностью. При отношениях напряженностей полей десятки и сотни в соответствующее число раз отличаются и скорости дрейфа частиц в электрическом поле, что может 45 приводить к различным потерям заря-. женных частиц в зонах зарядки и, как следствие, к значительным погрешнос--. тям измерения. Кроме того, заряды, приобретаемые крупными частицами при диффузионной зарядке значительно меньше зарядов, приобретаемых под действием электрического поля, что приводит к необходимости измерения более малых токов переноса и снижению точности измерения при малых концентрациях -аэрозоля. Точное измерение в широком диапазоне токов, з частицы 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 2S отношения Р напряженностей электрических полей в двух режимах зарядки порядка нескольких сотен. Столь большие значения отношение напряженно" стей полей в разных режимах приводит к усложнению практической реализации способа и появлению других составляющих погрешностей измерения. Так, из вьвзажения для ионной проводимости

С =1/Е (где 1 — плотность ионного

rpe К и (— постоянные диффузионного и ударного законов зарядки соответственно, 4 — напряженность поля в первом канале, — отношение потоков заряженных частиц из первого и второго каналов на измерительный электрод;

Р— отношение напряженностей электрических 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 каналов на общий измерительный электрод, обеспечивает условия, при которых средний размер частиц 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 частицы из каналов на общий измерительный электрод, или неселективным разбавлением аэрозоля в ка- 10 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- 20 ные значительным отношением напряженнбстей 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 ионов выполненные в виде тон .3 ких проводов, к которым приложены соответственно положительный О»и отрицательный- 32 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»Ц а к другому отрицательный по1У

45 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 ко50 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 нониусной шкалой, закрепленного на воздуховоде 1, и электрически сое38 6 динен 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 Е1 и Е2, задавая потенциал» и-(р2 на электродах 5 согласно

1 2 соотношению1Ч»1 =Р)ф,1, где р ) 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 P уменьшается разрешающая способность устройства, при больших увеличиваются составляющие погрешности, характерные для известного

I способа. Значения напряженности поля

Е1 выбирают в пределах нескольких кВ/см. В зонах зарядки обоих каналов обеспечивают фиксированное значение параметра зарядки Ct. Для этого задают потенциалы + U» и - Ug на проводах источников 4 ионов, при которых выполняется соотношение »»1

Щ, где 1 и 12 — токи в цепи пластины 2, контролируемые поочередно микро- амперметром 3 и обусловленные ионными токами в зонах зарядки IIep-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 Ct, В процессе измерения значения потенциалов ( и-q — напряженности 0» и -02 подцер2 живаются постоянными за счет их стабилизации,g соответствии со знаками потенциалов на одном из электродов

4 образуются ионы положительной полярности, а на другом — отрицательной. Генерируемые ионы втягиваются электрическими полями в зоны заряд1 ки 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

1100538

1,-20

k= 2

a+28 . (8) заряд в результате направленного движения ионов под действием электрических полей. Заряды и и и каждой аэрозольной частицы радиуса г в общем случае зарядки под действием электрического поля складываются из диффузионной и ударной составляющих и определяются для каждого канала с учетом полярности ионов выражениями („= хгi рЕ„г 2., (2) -(ЪЕ2г, (3) где Ф„ и . — постоянные диффузионного и ударного законов зарядки.

При ионной зарядке частиц и фиксированном значении параметра Ct независимо от полярности ионов постоянные Ю и Р имеют фиксированные значения, т.е, одинаковы при зарядке частиц в обоих каналах. Интегральной характеристикой совокупности аэрозольных частиц после зарядки является поток, который представляет собой число частиц, падающих . на данную поверхность в единицу

1 времени. Часть потоков заряженных частиц из каждого канала пропускают. через общий измерительный электрод б,,где заряженные частицы задержива- З0 ются фильтром 10. При расходах газа

W< и 9I> из каждого канала на измери- тельный электрод 6 (фиг. 1) потоки

Ф„ и 92 положительных и отрицательных частиц на электрод 6 составляют 35 соответственно

Ф, Nф„; (4) 2=(», 2, (s) где М» и N — счетные концентрации час40 тиц в потоках из первого и в(»орого каналов.

Токи, переносимые потоками заряженных частиц на измерительный электрод 6, определяются приращениями

"45 зарядов на фильтре 10 в единицу време-. ни. С учетом выражений (2) — (S), токи переноса 1 и 3g из каждого канала на электрод 6 определяются выражени- ями

«»o+» p <» г2о Ф„; (6)

2 г = < »О 2 P EZ "2О 2 Р (7) тде rio ° (r((r(3r - сРедний ерифметичес- ЕЕ кий размер частиц," средний квадратический

2О )" размер частиц;

2 (г1 — плотность вероятности функции распределения частиц по размерам.

В данном устройстве обеспечивается равенство счетных концентраций

N< и N2 за счет отбора исследуемого аэрозоля из общего потока по параллельным каналам.

В среднем положении электрода 6 относительно пластины 2, что соответствует нулевому положению нониусной шкалы винта 8, равны друг другу (расходы W» и %2, а следовательНо, и потоки Ф„ и Ф . Как следует из выра.жений (6) и (7), токи переноса 3 и

J2 при указанных условиях несКомпенсированы при любых средних размерах.

Индикатор 9 тока регистрирует наличие суммарного положительного тока переноса (поскольку Е 1 ) Е ) на элек2 троде 6.Для взаимной компенсации токов переноса изменяют отношение потоков заряженных частиц путем изменения расходов Ф» и М2. Для этого электрод 6 перемещают винтом 8 по . направляющей 7 в сторону канала с меньшей напряженностью поля до достижения равенства нулю суммарного тока переноса, регистрируемого инди катором 9 тока. Поскольку линейные

;скорости частиц в обоих потоках,одинаковы, отношение расходов ((»(, и Ql для скомпенсированных токов переноса определяется отношением площадей прямоугольного электрода 6, на которые попадают частицы из каждого канала. Отношение площадей, в свою очередь, определяется положением электрода б относительно пластины 2 ко» торое и определяет отношение потоков заряженных частиц К= Ч /g» меньшее единицы. При выборе нулевого положения шкалы винта 8, соответствующего симметричному расположению электрода

6 относительно пластины 2, отношение связано с отклонением шкалы винта 8 от нулевого положения зависимостью

I где; (» — ширина электрода 6 °

Из уравнений (6) и (7) и равенства токов 1 и 3 при взаимной компенсации следует, что при указанном отношении потоков имеет место равенство

=й I-—

W„

1 (К=19/„

W1 (12) 9 1100

Выражение (9) можно. представить в следующем виде:

1 г (10)

Р

РЕ к--" s

Полученное отношение, (r, является средним размером частиц аэрозоля.

В наиболее часто встречающемся на практике случае логарифмически нормального распределения частиц по размерам это отношение совпадает со р г /ГЗЕ средним кубическим радиусом г =1Г (>13>, о

15 характеризующим распределение объема и массы частиц аэрозоля по размерам.

Для частиц монодисперсного аэрозоля выражение (10) определяет их радиус. Величина05/(РЕ,)является постоянной устройства, которая может быть определена теоретически или при ка либровке. Таким образом, средний размер аэрозольных частиц однозначно определяется формулой (1), совпадающей с выражением (10) по полученному значению отношения потоков °

В 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 производительностью, расходомер 12 и аэрозольный фильтр 13.

Способ реализуется в этом варианте устройства следующим образом.

При выключенной воздуходувке 11 40

„обеспечивается равенство потоков за. ряженных частиц Ч и 7 за счет одинаковых расходов газа и концентраций.

При этом в соответствии с,выражениями (6) и (7) индикатор тока 9 реги45 стрирует на электроде 6 положительный ток переноса. Это обусловлено большей напряженностью поля в первом канале ° Отношение потоков заряженных частиц P èÔ изменяют путем уменьшения счетной концентрации аэрозоля N при равенстве расхоцов 4< и

Ф 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

538 10 контролируют расходомером 12. Отфильтрованный газ перед зоной зарядки возвращаются в поток аэрозоля первого канала. Таким образом, при постоянном

0 расходе газа W< через измерительныи электрод б в первом канале изменяется счетная концентрация 1» частиц в потоке, связанная с концентрацией исследуемого аэрозоля и, соответственно, с концентрацией частиц 1 во втором канале соотношением

Изменением производительности воздуходувки 11 регулируют расход отI фильтрованного газа OI до взаимнои компенсации токов переноса 31 и 3 „ контролируемой по суммарному току переноса индикатором 9 тока. Затем определяют отношение расходов й1)%,отфильтрованного газа и полного потока в первом канале по расходомеру 12. При этом отношение k потоков заряженных частиц с учетом выражений (4), (5) и (11) определяется формулой

Средний размер аэрозольных частиц определяется по полученному значению к 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 1Х и со1 вместить преимущества параллельного анализа, связанные с возможностью измерения размера в аэрозолях с изменяющимися во времени параметрами, 11 с достоинствами последовательного измерения, связанными с использованием одного измерительного устрой1100538 12 ства, за счет параллельной зарядки частиц и перераспределения их потоков на общий измерительный электрод.

1100538

Юатм аз ыоии

Составитель В. Алексеев

Редактор Л. Пчелинская Техред А. Бабинед . Корректор,О. Билак

Заказ 4573/34 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ .Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППН "Патент", r. Ужгород, -ул. Проектная, 4