Импактор

 

Союз Советских

Социалистических

Республик пц 1

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (63) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 1407.78 (21) 2645694/18-25 (51)М. Кл. с присоединением заявки HP 2645894/18-25

G 01 N 15/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 153.131. Бюллетень HP42

Дата опубликования описания 15.11.8 (53) УДК 539.215 ° .2 (088 ° 8) 1

Д.Л. Зеликсон и Н.Г. Булгакова (72) Авторы изобретения (73) Заявитель (54) ИИПЛКТОР

Изоьретение относится к приборам для измерения масс взвешенных частиц, преимущественно аэрозоля, и может быть применено для анализа дисперсного состава и измерения концентрации промышленных и природных пылей в диапазоне размеров от субмолекулярных и субмикронных до десятка микрон.

Известно устройство, содержащее фильтр и насос, в котором дисперсный состав частиц определяют седиментацией в суспензии после предварительного осаждения в Фильтре (1).

Недостатком э ого устройства является низкая точность дисперсного анализа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является из-, вестный импактор, содержащий последовательно расположенные ступени инерционного осаждения частиц аэрозоля, фильтр и форвакуумный насос, который позволяет проводить измерение гранулометрического состава непосредственно в потоке аэрозоля (2).

Недостатком известного импактора является ограниченный по тонким фракциям диапазон анализируемых размеров, определяемый-технологическими З0 трудностями изготовления сопловых отверстий малого диаметра и ограничением скорости потока в сопле, которая не должна превышать звуковой.

Бель изобретения — повышение точности анализа и расширения диапазона измеряемых частиц, автоматизацию процесса измерения тонкодисперсных частиц для непрерывного контроля за выбросами в атмосферу.

Для достижения цели импактор, содержащий последовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумный насос, снабжен гаэоразрядным источником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный анализатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным в виде металлизированного фильтра.

Камера осаждения частиц может быть снабжена щелевой диафрагмой, соединенной байпасным трубопроводом с форвакуумным насосом, вдоль щели которой расположен один из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненный в виде, нити термофореэного нагревателя или выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционного

881580 осаждения, а коллекторный электрод окружен охранной диафрагмой в виде металлизированного фильтра.

На фиг. 1 представлен импактор, общий вид; на фиг. 2 — камера осаждения частиц в виде ступеней инерционного осаждения, вариант.

Прибор (фиг ° 1) состоит из последовательно соединенных камер осаждения частиц с источником зарядов 1 и квадрупольного анализатора 2 масс-спектрометра. В камере 1 в верхней зоне установлена щелевая диафрагма 3, перед щелью которой с минимальным зазором расположен горизонтально электрод 4, выполненный в виде нити термофорезного нагревателя разрядного электрода газоразрядного источника заряженных частиц, соединенного с источником накального напряжения U> и с, например, отрицательным полюсом источника напряжения разряда Бр . В нижней зоне камеры 1 установлены экранная диафрагма 5 входа в камеру 2 анализатора, снабженная патрубком б, выступающим в камеру 1, и положительный электрод

7 газоразрядного источника ° Камера

1 снабжена патрубками 8.и 9. Щелевая диафрагма 3 соединена байпасным трубопроводом 10 с вакуумным насосом

11. В камере 2 анализатора установлены квадрупольный конденсатор 12, электроды которого попарно соединены с источником напряжения вида

+(U + V cos wt) коллекторный электрод — фильтр 13, соединенный с электрометром 14, и охранная диафрагма-фильтр 15 выхода из камеры

2, причем электрод 13 и охранная диафрагма 15 выполнены в виде идентичных металлизированных, например металлокерамических Фильтров, соединенных с насосом 11 параллельно.

Насос 11 снабжен вентилями 16, установленными на байпасных линиях. Камера 1 осаждения частиц может быть выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционного осаждения (фиг. 2). Каждая ступень представляет собой систему сопловых отверстий 17 и поверхностей осаждения 18. Камера 19 газоразрядного источника заряженных частиц расположена на входе камеры 2 анализатора и содержит электроды 4 и 7.

В работе с импактором предварительно продувают камеру 1 через патi рубки 8 и 9 при закрытых вентилях 16.

Зачтем нагревают нить — электрод 4 током источника накала до перепада температур порядка сотни кельвинов и открывают вентиль 16 на байпасном трубопроводе 10 после герметизации патрубков 8 и 9. Камеру 1 откачивают насосом 11 через щелевую диафрагму 3. Одновременно включают источник разряда и производят униполярную зарядку частиц отрицательными

5 !

О

ЗО

S5

ЬО

65 ионами с электрода — нити 4. Заряженные частицы благодаря двойному эффекту термо- и электрофореза выталкиваются из области нити 4 и щели диафрагмы 3, поэтому в насос перетекает обеспыленный газ. Крупные частицы, размер которых находится вне пределов измерения, под действием гравитационной и электростатической сил оседают в нижней зоне камеры 1 на электроде 7 и экранной диафрагме 5, патрубок 6 которой препятствует попаданию этих частиц в камеру 2 анализатора. Таким образом, происходит предварительная сепарация частиц при сохранении концентрации анализируемого аэрозоля, несмотря на снижение давления в камере 1 ° После достижения в камере 1 и 2 вакуума в пределах 10 — 1000 Па перекрывают вентиль 16 байпасного трубопровода

10 и открывают основной вентиль 16.

Заряженный аэрозоль через сопло патрубка б с заданной скоростью поступает в камеру 2 анализатора вдоль оси квадрупольного конденсатора 12, электростатическое поле которого гиперболического вида в совокупности с гармонической составляющей заставляет частицы перемещаться по сложной осциллирующей траектории. Траектории всех частиц, за исключением узкой фракции определенного отношения заряда к массе, неустойчивы и имеют тенденцию к неограниченному отклонению от оси конденсатора. Частицы с устойчивой траекторией оседают на коллекторном электроде — Фильтре 13, заряд которого, измеренный электрометром 14, является мерой фракционной концентрации. Охранная диафрагма — фильтр 15 предотвращает перетекание потока аэрозоля с неустойчивыми частицами на коллекторный электрод - фильтр 13 °

Изменением отношения напряжений

U/V на конденсаторе 12 или частоты и гармонической составляющей производят дисперсный анализ аэрозоля, последовательно определяя долю частиц каждой фракции. Для анализа частиц аэрозоля используют низкую частоту питания 50 - 10000 Гц.

Во время работы имйактора с камерой инерционного осаждения поток аэрозоля поступает на вход (фиг ° 2) и через сопловые отверстия 17 последовательно проходит все ступени. При обтекании струей запыленного газа поверхностей 18 происходит разделение частиц на фракции в зависимости от скорости потока в сопле. Гидравлические сопротивления отверстий 17 . и скорость потока в них подобраны таким образом, чтобы на первой ступени осаждались наиболее крупные частицы, а на следующих все более мелкие фракции. Наиболее мелкие частицы выносятся в камеру 19, где

881580 приобретают униполярный заряд в поле разряда с электродов 4 и 7. Заряженные частицы в потоке газа поступают в камеру 2 анализатора. Гидравлическое сопротивление всего тракта от первой ступени до камеры 19 таково, чтобы непрерывная откачка газа

5 насосом 11 обеспечивала в камере 2 заданный вакуум в 10 — 1000 Па.

В предлагаемом импакторе применен гидродинамический способ транспортировки частиц в камере анализатора вместо неэффективного при наличии газа и малом отношении заряда к массе способа электростатического ускорения.

Если частица обладает одним элементарным зарядом, то в поле напряженностью 1000 В/см она имеет скорость около 0,1 м/с при диаметре

1 мкм, а для диаметра 0,1 мкм скорость более 10 м/с при давлении 20

100 Па. Эти значения скорости и определяют для заданных рабочих параметров прибора диапазон размеров от десятка микрон до молекулярных.

Минимально допустимая концентрация частиц одной фракции, исходя из

= f6 предельно измеримого тока 5.10 А, составляет 3000 в секунду и соответствует при расходе газа через камеру анализатора 0,1 л/с и давлении 100 Па концентрации при атмосферном давлении 3 ° 108 м или весовой концентрации 1-100 мкг/м для

Э частиц диаметром 0,01-1 мкм.

Выходной сигнал представляет собой электрическую величину, что обеспечивает возможность автоматизации процесса измерения тонкодисперсных фракций. Нижний предел размеров анализируемых частиц не ограничен и достигает атомарных ве- 40 личин. Разрешающая способность предложенного устройства существенно превосходит параметры известных импакторов, что обуславливает провышенную точность дисперсионного анализа в области малых размеров, где весовые методы определения величины осадка на поверхности 18 непригодны.

Формула изобретения

1. Импактор, содержащий последовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумный насос, отличающийся тем, что с целью повышения точности и расширения диапазона измеряемых частиц, он снабжен газоразрядным источ" ником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный ана-. лизатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным в виде металлизированного фильтра.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что камера осаждения частиц снабжена щелевой диафрагмой, соединенной байпасным грубопроводом с форвакуумным насосом, вдоль щели которой расположен один из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненный в виде нити термофорезного нагревателя.

3. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что камера осаждения частиц выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционного осаждения.

4. Устройство по пп. 1, 2 и 3, отличающееся тем, что коллекторный электрод окружен охранной диафрагмой в виде металлизированного фильтра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Коузов П.A. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов.М., Химия, 1974, с. 35.

2. Там же, с. 206.

881580

Риг.2

Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 9957/65

Филиал ППП Патент, г ° Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И. Некрасов

Редактор Л. Повхан Техред Т.Маточка . Корректор Г. Orap