Способ дисперсного анализа частиц

 

Сееов Советсннк

Соцнаанстнческнк

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВ ВТВЛЬСТВУ (о1) Дополнительное к авт. свмд-ву— (22) Заявлено 100180 (21) 2868787/18-25 (51) М. КЛ.

0 01 и 15/02 с присоединением заявкм Йо(23) Приоритет

ГосударственниЯ аомятет

СССР ао делам язобретеякЯ я откритнЯ

Опубликовано 231181 Бюллетень Н9 43

Дата опубликования описания 23.1181 (53) УДК S3e.21S.4 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. М. Ким и В. Н. Матвеев институт экспериментальной метеорологии

Госкомгидромета СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ДИСПЕРСИОННОРО АНАЛИЗА ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Изобретение относится к технике измерений дисперсных характеристик аэрозольной среды и может быть использовано, например в метеорологии для определения распределения капель облаков и туманов по размерам, в медицине и химической промышленности для определения дисперсного состава жидких и твердых аэрозолей.

Известны способы определения некоторых интегральных характеристик аэрозольной среды путем предварительной зарядки частиц и последующего измерения переносимого ими зарида j1). 35

Однако эти способы не дают информации о дисперсном составе измеряемого аэрозоля.

Известны более информативны способы, основанные на пространствен- 20 ной селекции предварительно заряженных частиц, движущихся в электрическом поле.

Наиболее близкий по технической . сущности к предлагаемому заключается 25 в следующем.

Твердые частицы исследуемого аэрозоля, взвешенные в воздухе, заряжают в зарядном устройстве, затем в тонкой струе воздуха. подают в электро- 3Р статическое поле конденсатора, к пластинам которого прикладывают им-, пульсы напряжения прямоугольной форьы с длительностью, превышающей время прохождения аэрозольных частиц через осадительный конденсатор. При этом за время действия импульса иэ струи последовательно удаляются фрак" ции частиц убывающего размера. На выходе иэ конденсатора с помощью датчика заряженных частиц измеряют электрический ток, создаваеьый частицами, пролетающими конденсатор без осаждения. По временному изменению величины тока непосредственно определяют интегральный закон распределения частиц по размерам 723.

Недостатком. известного способа является то, что в нем не учитывается искажение измеряемого тока, вызванное отскоком от пластин конденсатора перезарядившихся частиц и попаданием их вместе с потоком воздуха в датчик заряженных частиц, который из-эа распределения частиц аэро.золя на выходе из конденсатора по всему поперечному сечению, имеет размеры порядка поперечного сечения конденсатора. Датчик таких размеров вызывает сильное искажение электри883709 ческого поля на выходе из конденсатора, что тоже приводит к понижению точности определения интегрального закона распределения частиц по размерам. Кроме того, измерение электрического тока на выходе иэ конденсатора не позволяет распространить этот способ на случай низких концентраций аэрозолей из-эа невозможности обеспечения электрометрических измерений малых токов с приемлемой погрешностью.

Цель настоящего изобретения — повышение точности измерений и чувствительности способа.

Эта цель достигается тем, что частицы аэрозоля заряжают в зарядном 15 устройстве, формируют з аряженный аэрозоль в струю и пропускают вместе с потоком воздуха через отклоняющее электрическое поле конденсатора перпендикулярно силовым линиям поля. На пластины конденсатора подают импульсы напряжения чередующейся полярности с постоянным значением амплитуды в течение каждого полупериода колебаний напряжения и периодом, равным времени -пролета частиц через отклоняющее поле конденсатора. Отбор частиц производят на выходе из конденсатора в плоскости нулевого потенциала в зоне фокусировки струи, и непрерывно измеряют ток, создаваемый 30 прошедшими поле частицами, или их концентрацию. По известным зависимостям находят функцию распределения частиц по размерам на рабочем участке спектра, Повторяя предыдущие опе- 35 рации при других значениях приложенного напряжения, получают функцию распределения частиц по размерам во всем диапазоне размеров исследуемых частиц. 40

На чертеже представлена схема установки для реализации способа дисперсионного. анализа частиц.

Установка включает зарядное устройство 1, формирователь 2 струи, конденсатор 3, датчик 4 и вычислительный блок 5.

После зарядки аэрозольных частиц в устройстве 1 их смешивают со струей воздуха в устройстве 2 и затем аэрозольную струю заряженных частиц подают в конденсатор 3 в плоскости нулевого потенциала. К пластинам конденсатора прикладывают напряжения чередующейся полярности с амплитудой, постоянной в течение каждого полупериФда, и периодом, равным времени пролета частиц через конденсатор.

Двигаясь вдоль пластин конденсатора, заряженные частицы отклоняются в той или другой пластине в зависимос- 60 ти от направления отклоняющего поля.

Так как при. зарядке частицы приобретают заряд, пропорциональный квадрату радиуса г частиц, с>= > -, а движение частиц подчиняется закону 65

Стокса, скорость частиц Ч по направлению поля прямо пропорциональна радиусу частицы Y(r) gr где 8 постоянно при постоянном напряжении, т.е. более крупные частицы являются более подвижными. Иэ частиц, попадающих в отклоняющее поле в любой момент време ни t первой чет верти периода 08 4 4 Ф на пластины оседают все частицы со скоростью ") > ) = Т/2 1

I а частицы фракции D < (г проходят конденсатор без осаждения (b— половина расстояния ме>хду пластинами конденсатора). Предельный размер

rt делящий частицы на оседающие и неоседающие, при изменении моментами попадания частиц в конденсатор от

0 до T/4 непрерывно меняется от г предельного размера при = О, до г — предельного размера при 6 = Т/4.

На чертеже изображен конденсатор 3 в разрезе и траектории частиц предельных размеров: A — частиц размера г„ для t = О,  — частиц размера » для 1 = Т/4. Из пропорциональности скоростей частиц их размерам следует, что г = 2г. В тех же саьых пределах Г будет изменяться и в остальные четверти периода. Все частицы, не осевшие на пластины, вновь собираются вместе на выходе иэ конденсатора в плоскости нулевого потенциала. Такая фокусировка частиц на выходе объясняется тем, что каждая частица одинаковое время подвергается воздействию полей противоположного знака.

Отбор частиц в датчик 4 производят на выходе иэ конденсатора в зоне фокусировки струи в плоскости нулевого потенциала и непрерывно измеряют ток 3, создаваемый пролетающими конденсатор без осаждения частицами, или их концентрацию й. Непрерывно измеряемый сигнал поступает в вычислительный блок 5, где по формулам, которые легко выводятся при условии пропорциональности скоростей частиц их размерам

В(ТЮ" ) Ж

1 () - „— >

ЮО> Т или (Т/1- 1)1 дй

n(v i= — —, Surx где S — площадь поперечного сечения струи аэрозоля, U - -скорость движения частиц вдоль пластин конденсатора, получают функцию распределения частиц по размерам y (r) на.участке спектра от „ до j< = 2 „. Изменяя величину приложенного к йластинам конденсатора напряжения, получают функцию распределения » >) во. всем диапазоне размеров измеряемых частиц.

883709

Например, чтобы определить распределение по размерам капель тумана радиусом от 1 до 16 мкм, нужно заряжать капли в поле коронного разряда напряженностью 2000 В/см, формировать иэ них стрj30р движущуюся со скоростью 20 см/с, И подавать в конденсатор длиной 10 см и расстоянием между пластинами 2 см. Между пластинами, прикладывая импульсы напряжения прямоугольной формы, нужно создавать знакопеременное электрическое поле напряженностью Е = 2000В/см с периодом колебаний напряжения

T = 0,5 с. Непрерывно измеряя ток, создаваеьнй частицами, на выходе из конденсатора с помощью стандартного электрометрического усилителя и используя обычные решающие усилители для выполнения операций по указанным выше формулам, получим распределение капель по размерам в диапазоне ра- 20 диусов от 1 до 2 мкм. Создавая между пластинами конденсатора поле напряженностью 1000 B/см, при остальных неизменных параметрах получим распределение в диапазоне от 2 до 4 мкм.

При Е = 500 В/см получим распределение для радиусов от 4 до 8 мкм, а при Е = 250 В/см — для радиусов от

8 до 16 мкм. Т.е. для определения распределения капель по размерам в диапазоне от 1 до 16 мкм достаточно провести измерения всего при четырех значениях напряженности поля конденсатора.

Таким образом подача н а пластины конденсатора энакопеременного напряжения с амплитудой, постоянной в течение полупериода колебаний напряжения, и с периодом, равным времени пролета частиц через отклоняющее поле конденсатора, обеспечивает фоку- 40 сировку частиц на выходе из конденсатора в плоскости нулевого потенциала, что позволяет:

1. Повысить точность измерений из-за уменьшения вероятности попадания отскочивших от пластин перезарядившихся частиц в датчик заряженных частиц, а также значительного уменьшения искажения электрического поля на выходе конденсатора, так как появляется возможность использовать датчик, поперечное сечение которого много меньше поперечного сечения конденсатора, расположить его в плоскости нулевого потенциала, а потенциал самого датчика сделать близким или равным нулю.

2. Повысить чувствительность способа, так как при низких концентрациях аэроэольных частиц, когда чувствительность существующих электромеханических усилителей недостаточна для измерения малых токов, измерение тока можно заменить измерением концентрации с помощью обычных фотоэлектрических-счетчиков.

3. Распространить способ на измерение дисперсного состава проводящих аэрозолей (сажа, металлическая пыль) и жидких аэрозолей, так как датчик обтекается со всех сторон чистым воздухом без аэрозольных частиц, и, тем самым, может быть обеспечена качественная изоляция датчика от пластин конденсатора, находящихся под высоким напряжением.

Формула изобретения

1. Способ дисперсибнного анализа частиц аэрозоля, включающий предварительную зарядку частиц, подачу аэрозольной струи в электростатическое поле конденсатОра, к пластинам которого прикладывают напряжение прямоугольной форьы, и измерение тока,. создаваемого аэрозольными частицами. на выходе из конденсатора, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, к пластинам конденсатора прикладывают импульсы напряжения чередующейся полярности и периодом, равным времени пролета частиц через отклоняющее электрическое поле конденсатора, а измерение тока, создаваемого частицами, производят на выходе из конденсатора в зоне фокусировки частиц. в плоскости нулевого потенциала, и по известным зависимостям определяют функцию распределения частиц по размерам на рабочем участке спектра, причем для получения функции распределения частиц по размерам во всем диапазоне размеров исследуемпс частиц, повторяют укаэанную операцию при других значениях амплитуды приложенного напряжения.

2. Способ по п. 1, отличаюшийся тем, что, с целью повышения чувствительности, на выходе из конденсатора в зоне фокусировки частиц измеряют временное изменение концентрации аэрозольных частиц.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Н 340942, кл. G 01 и 15/02, 1970..

2., Авторское свидетельство СССР

Р 615394, кл. G 01 и 15/02, 1975 (прототип).

883709

Составитель В. Рлексеев

Редактор П. Ортутай Техред С.Мигунова Корректор Л. Бокшан

Заказ 10211/64 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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