Способ измерения размеров и счетной концентрации аэрозольных частиц

 

Оп ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополн тельное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.04-76 (21) 2343587/18-25

Союз Советских

Социалистических

Республик

<„>708203 (51)М. Кл. с присоединением заявки ¹â€”

g 01 N 15/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (53) УДК 543 ° 275 (088.8) Опубликовано 050130- Ьюллетень М 1

Дата опубликования описания 15 ° 01 ° 80 (72) Авторы изобретения

Е. В. Соловьев и В. Е. Черковец (7i) Заявитель (54) СПОСОЬ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ И СЧЕТНОЙ

КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к электромагнитным бесконтактным способам измерения размеров частиц и может быть использовано также для измерения счетной концентрации и скоростей частиц в потоках.

Известен способ (1) измерения pasмеров и счетной концентрации частиц, заключающийся в том, что исследуемый поток освещают параллельным пучком монохроматического света, а размеры и счетную концентрацию частиц определяют из расчетных формул, выведенных иэ теории Ми, по измеренным интенсивностям рассеянного частицами света под углами от 0 до 3 относительно проходящего пучка света.

Этим способом измеряют размеры .частицы в диапазоне 2-300 мкм с большой погрешностью (30%) из-за приближенного вывода расчетных формул и неточного измерения интенсивностей света. Способ трудно реализовать в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях. К недостаткам способа относится также низкая точность измерения счетной концентрации частиц.

Известен способ детектирования дисперсных частиц в процессе химичес- 30 кой реакции (2), заключающийся в том, что в сосуде для химических реакций устанавливают на заданном расстоянии две электродные пластины. Конденса тор, образованный этими пластинами, и катушка, подключенная к нему снаружи сосуда,. составляют резонансную цепь, к которой прикладывают высокочастотный сигнал от генератора частоты. При наличии дисперсных частиц изменяется диэлектрическая проницаемость между электродными пластинами, что фиксируется посредством вольтметра, измеряющего напряжение между клеммами резонансной цепи.

Способ не позволяет измерять размеры частиц и их концентрацию в силу малогО вли яни я массы в еще с тв а одной частицы, находящейся между злек.тродными пластинами, на частоту колебаний резонансного контура.

Наиболее близким к предложенному является способ измерения количества частиц по изменению параметров электрического колебательного контура, содержащего конденсатор и катушку индуктив ности, согласно которому межцу обкладками конденсатора пропускают поток аэрозоля, а колебания контура задают генератором частоты (3).

708203

Если в цепи электрическо1Ь колебательного контура находится конден сатор, а месяцу его обкладками имеется электропроводящая пыль, то электРические параметры конденсатора меняются. Проводящая пыль не только меняет емкость конденсатора, но и вносит изменения в сопротивление и йидуктивность колебательного контура.

Коэффициент электрической поляризации конденсатора 3Î

Р1 и где Р(— диполь ный момент;

Ч„ — объем пылинки;

Š— напряженность электрического 15 поля.

Благодаря поляризационному поверхностному заряду на обкладках конденсатора при той же ра" íîñòè потенциалов наводится добавочный заряд

Р1 9 О= — р ()

-У где d — расстояние между обкладками.

Если бы собственное сопротивление пылинки R, было малым, можно было бы считать, что изменилась, емкость конденсатора на величину ьС= " с; (д) о ЗО где V . — объем между пластинами конденсатора;

С вЂ” емкость чистого конденсатоо

Ра

Š— диэлектрическая проницае- З5 мость вакуума.

Если сопротивление пылинки К велико, но не бесконечно, то необходимо учитывать энергетические потери в пылинке, меняющие добротность контура. Присутствие пыли между обкладками конденсатора равносильно параллельному включению в контур активного сопротивления R< и емкости С„ (С вЂ” емкость пыли) . Тогда полное комплексное сопротивление Z между точками присоединения контура

" 1 с а

i (! аф(с,рю,)- ис я )

Счетную концентрацию частиц определяют по числу, импульсов электромагнитного дипольного излучения частиц.

Электромагнитный способ определения размеров и счетной концентрации частиц основан на том, что частица, двигаясь во внешнем электрическом или магнитном поле, приобретает электрический дипольный момент

d =à EîО- -"" (y) для проводящего шара дипольный электрический момент

При этом также увеличилось активное сопротивление „с,) Щ (с-с„)

Энергетическими же потерями в пылинке можно пренебречь. Если частота переменного поля, задаваемая генератором частоты в конденсаторе, вели- 65 (gaol где a — радиус частицы, где Ш вЂ” углов а я час тота у

R — сопротивление контура.

Для малых частот, когда ЮС(R <<1, получим приближенно ив(c +c„ (с +с„1 ка Uo С R 1, получаем в первом приближе иии

1 1

В этом случае резонансная частота меняется незначительно, а увеличивается в основном активное сопротивление, внося энергетические поте

Ри и ухудшая добротность контура.

Таким образом, меняя частоту собственных колебаний контура при наличии пыли, изменяют его добротность.

Зная ее по смещению резонансной часС4

I, тоты ®4о 2 о; (ю — РезонанснаЯ о 2 о частота), можно определить добавочную емкость. По добавочной емкости делают оценку количества пыли, находящейся между обкладками конденсаторау зная увеличение емкости от одной частицы среднего заданного размера, определяют из формул (3), (8) концентрацию частиц.

Существенный недостаток этого способа заключается в возможности измерения только счетной концентрации при известных размерах частиц.

Цель изобретения — увеличение точности измерения размеров и счетной концентрации частиц, способных поляризоваться в электрическом поле.

Указанная цель достигается тем, что измеряют интенсивность импульсов. электромагнитного дипольного излучения частиц, возникающего под действием приложенного внешнего электрического поля и их число. Размер частиц вычисляют по формуле ,д=К. у (з. Р. (q - ) 4 (g) где а — радиус частиц;

- . интенсивность импульса ди. поль ного иэ луче ни я у

Š— напряженность внешнего элеко трического поля; — диэлектрическая проницаемость частицы,"

К вЂ” константа, зависящая от геометрии детектора.

708203

5 а . =1О мкм

Э1111

Точность измерения интенсивности излучения 1Ы/о а

Отсюда получают формулу для вычисления размера частицы а по измеренной интенсивности излучения

30 а=хх ь (1-8") х= " ) ///) где S — площадь детектора.

Способ реализуется при помощи схемы, показанной на чертеже.

С внешней стороны диэлектрической З5 части канала 1 или внутри канала размещают электроды 2, 3 конденсатора так что узкий пучок силовых линий 4 напряженности электрического поля пересекает полость канала, через который "О пропускают поток частиц. частица S пролетая через элек рическое поле конденсатора, поляризуется и излучает электромагнитный импульс 6 в преимущественном. направлении перпен- 45 дикулярно силовым линиям напряженнос- ти поля.

Эти импульсы улавливаются детектором 7, а количество и интенсивность их измеряются соответственно счетньм 5() устройством 8 и амплитудным анализаторо ч 9.

Примеры реализации прЕдложенного способа измерения размера и конпентрации..металлических частиц. 55

Минимальная мощность детектируемая измерителями мощности слабых шумовых и синусоидальных сигналов, -К1

10 Вт. антенное устройство Пб-21 регистрирует мощность 7,4 -10 вт. Максимальная напряженность внешнего . электрического поля

Е ющ< кю - "о В1м е

При такой напряженности не происходит пробоя между электродами для 65

4>ормула изобретения

При выходе из объема внешнего электрического поля запасенная энергия частицы равна: я.

Е= — 4- П/

Интенсивность же излучения частицы-диполя вычисляется методом запаз.дывающих потенциалов;

-сф (q E)

S1h е 2 4е "Ю

gaCр о ю> > ), оса <юя,— );(/)

1 1О где NQ — частота колебания диполя;

R - расстояние от излучающей частицы до детектора;

19 — угол между вектором и направлением измерения; 15

С вЂ” скорость света;

- время.

Из формулы (12) получают выражение для энергии импульса дипольного излучения частицы, регистрируемого детектором плОщадью 1 см 2, расположенным на расстоянии R от излучающей частицы-диполя, перпендикулярно к оси диполя: воздуха при Р «10 мм рт.ст. или прй

Р> 30 ати. Использовалось поле плоского конденсатора в атмосфере инертного газа с частицами щелочного металла с голыми электродами, напряженность Ео = б ° 10 В/м.

Используя приведенные предельные значения. "минимальной мощности (10 Вт) и напряженности Ею (6 ° 10 В/м) а также полагая R = 1 м, площадь детектируемой антенны 1 см, по формуле (14 ) вычисляют ми нимальный и змер яемый существующими приборами, радиус частицы:

3R ВЯ о

Множитель (1 — Я ) для металлов ранен 1

Погрешность при определении размеров частиц вычисляется исходя из (14) по формуле:

/>a ЬУ АЕЮ ЬЯ (5/

Ею

Точность измерения напряженности внешнего электрического поля: — =1 5 -> о

Погрешность измерения R очень мала (10 Ъ), ею можно пренебречь.

По формуле (15) относительная погрешность измерения размера частиц:

Еi Ci а

Наряду с опрецелением размеров частиц по интенсивности импульсов их излучения, можно с помощью счетного устройства, проводить абсолютный счет юмпульсов, а тем самым определять концентрацию частиц в потоке.

Для объема внешнего эл. поля (10 х х 10 х 10 ) м при условии, что в нем находится не более одной частицы 4 ° макс

Итак, предложенный способ измеренияя позволяет: измерять частицы .ради. усом до 10 мкм с большей точностью (* 3%) чем способ — прототип> проводить абсолютный счет частиц в потоке, т. е. существенно повысить точность измерения концентрации частиц существующими приборами.

Способ измерения размеров и счетной концентрации азроэольных частиц, способных поляризоваться в электри7

708203

Составитель В. Вощанкин

Редактор T. Орловская Техред З.фанта Корректор В. Синицкая

Заказ 8474/36 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ ГосударственногО комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 j филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ческом поле, заключающийся в том, что к исследуемому потоку аэрозольных частиц прикладывают внешнее электричес,кое полег отличающийся тем, что, с целью повышения точности .измерений, измеряют интенсивность 5 импульсов электромагнитного дипольного излучения частиц, возникающего под действием внешнего электрического поля, и их число, концентрацию частиц определяют по числу импульсов электро-1О магнитного дипольного излучения, а размер частиц — no формуле .

=кЮ! .Е О Е-4)

\ где а — радиус частицы;

Х - интенсивность дипольного излучения;

Š— напряженность внешнего поля; — диэлектрическая проницаемость вещества частицы; к — константа, зависящая от геометрии детектора.

Источники информации, принятые во внимание при эк пертизе

1. ШиФрин К С., Голиков В. И. Определение спектра капель методом малых углов. Труды 6 межведомственной конференции, изд-во AH СССР, М., 1960.

2. Патент Японии Р 48-38440, кл. 113.3 3, 1973.

3. Ключенинкас A. Б., Балтренас П. Б. Защита атмосферы от загрязнений; вып. 2, Вильнюс, 1974, с. 143, (прототип) .