СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ФРАКЦИОННО-ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01N15/02 G01N27/62 

Изобретение относится к области определения размеров частиц и их концентраций и может быть применено в различных отраслях науки, техники и медицины, например для измерения концентрации и фракционно-дисперсного состава (ФДС) аэрозолей, используемых в качестве воздушных лечебных дыхательных смесей.

Известен способ непрерывного измерения концентрации дисперсной фазы аэрозолей, основанный на зарядке частиц аэрозоля в поле коронного разряда переменного тока и последующем измерении ЭДС, индуцируемой ими на измерительный электрод [1].

При использовании этого способа измеренная ЭДС пропорциональна суммарной площади поверхности заряженных частиц аэрозоля, проходящих измерительный электрод. Но поскольку заряд частицы пропорционален квадрату ее поперечника, а объем частицы пропорционален кубу ее поперечника, то и точность измерения счетной концентрации аэрозолей, неоднородных по дисперсному составу составляющих их частиц, невелика.

Недостаток способа состоит в низкой точности измерения концентрации аэрозоля с неизвестным ФДС.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения массы дисперсной фазы аэрозоля [2], основанный на предварительном заряде частиц аэрозоля в поле униполярного коронного разряда, воздействии на поток униполярно-заряженного аэрозоля отклоняющего электрического поля конденсатора, направленного перпендикулярно потоку, вызывающего поперечное отклонение заряженного потока аэрозоля, и последующей регистрации и обработке заряда, наведенного потоком, на двух индукционных электродах, расположенных симметрично относительно оси зарядной камеры и разнесенных друг от друга в плоскости вектора электрического поля отклоняющего конденсатора. Каждый из электродов через свой зарядочувствительный усилитель связан с одним из двух входов схемы вычитания и с одним из двух входов схемы суммирования. Выходной сигнал схемы вычитания пропорционален величине отклонения заряженного потока в поле конденсатора, а выходной сигнал схемы суммирования характеризует величину отклоняемого заряда. Способ [2] позволяет несколько улучшить, по сравнению с предыдущим, точность измерения счетной концентрации аэрозолей с широким диапазоном изменения размеров частиц, однако не позволяет получить информацию о ФДС исследуемого аэрозоля.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности способа измерения счетной концентрации аэрозоля и одновременное измерение его ФДС.

Поставленная цель достигается тем, что предварительно знакопеременно-заряженный в зарядной камере коронного разряда переменного тока поток частиц аэрозоля пропускается через область приложенного регулируемого внешнего постоянного магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно потоку аэрозоля, в которой происходит пространственная сепарация заряженных частиц по фракциям и по знаку заряда за счет силы Лоренца, причем, регулируя магнитную индукцию приложенного поля, можно обеспечить последовательное движение разных фракций исследуемого аэрозоля по одной и той же выбранной траектории. Частицы разного знака заряда, но одинакового ФДС движутся по траекториям, симметричным относительно оси ионизационной камеры в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции приложенного поля.

Разделение частиц по знаку позволяет использовать отдельные, симметрично расположенные относительно зарядной камеры, измерительные электроды для частиц, заряженных положительно и отрицательно, и при дифференциальной обработке (вычитании) ЭДС разного знака, наведенных ими на измерительные электроды, вдвое увеличить величину полезного сигнала при одновременном подавлении паразитных ЭДС одного знака, наводимых на измерительные электроды коронным разрядом.

Таким образом, пространственная сепарация в магнитном поле заряженных частиц разных фракций обеспечивает последовательное измерение счетной концентрации частиц для каждой фракции, вычисление суммарной счетной концентрации по всем фракциям частиц, а также измерение с высокой точностью ФДС исследуемого аэрозоля.

На чертеже представлено устройство, принцип действия которого основан на предлагаемом способе.

В диэлектрическом корпусе (на чертеже не показан) последовательно по ламинарному потоку аэрозоля установлены зарядная камера, состоящая из двух электродов: наружного 1, например, в виде полого металлического цилиндра и внутреннего (на чертеже не показан) в виде металлической иглы, расположенной по оси цилиндра. На электроды зарядной камеры подают знакопеременное импульсное напряжение от источника высокого напряжения (на чертеже не показан), обеспечивающее формирование в камере знакопеременного электростатического поля за счет коронного разряда.

Зарядная камера обеспечивает заряд частиц аэрозоля, проходящих сечение камеры до насыщения. На выходе камеры в ламинарном потоке частиц аэрозоля, имеющего некоторый собственный фоновый заряд, формируется область цилиндрической формы, состоящая из перемещающихся вместе с потоком пакетов объемных зарядов с чередующимся знаком заряда.

Вслед за зарядной камерой на пути ламинарного потока аэрозоля располагают полюса 2 и 3 постоянного магнита таким образом, что вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно потоку аэрозоля. Заряженные частицы аэрозоля движутся перпендикулярно магнитным силовым линиям, при этом на них действует сила Лоренца в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и вектору скорости заряженных частиц. Траектория движения заряженной частицы в постоянном магнитном поле представляет собой окружность, радиус которой пропорционален отношению поперечника частицы к индукции магнитного поля и не зависит от скорости движения частицы. Заряженные частицы разных фракций, проходя полюса магнита, смещаются на различные углы от оси зарядной камеры при постоянной индукции магнитного поля.

Далее, на пути потока аэрозоля, на одинаковом расстоянии, симметрично относительно оси зарядной камеры размещают первый 4 и второй 5 индукционные измерительные электроды в виде полых металлических экранированных цилиндров с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру наружного электрода 1 зарядной камеры.

Изменяя напряженность магнитного поля между полюсами 2 и 3 постоянного магнита, можно обеспечить прохождение через индукционные измерительные электроды 4 и 5 пакетов заряженных частиц выбранного размера (фракции), причем пакеты частиц, несущих заряд разного знака, но одинаковой величины, будут смещаться в противоположные стороны от оси зарядной камеры на равные углы и проходить каждый внутри своего электрода, наводя в нем ЭДС, пропорциональную суммарной площади поверхности частиц данного пакета (данной фракции). В промежутках между пакетами через измерительные электроды 4 и 5 проходит незаряженный в зарядной камере поток аэрозоля с некоторым собственным фоновым зарядом, наводящим на электродах 4 и 5 фоновую ЭДС.

Первый индукционный измерительный электрод 4 соединен с неинвертирующим входом вычитающего устройства 6, например инструментального усилителя, а второй электрод 5 - с инвертирующим его входом. Инструментальный усилитель 6 осуществляет операцию вычитания ЭДС, наведенных в измерительных электродах 4 и 5, при этом ЭДС, наведенные пакетами заряженных частиц (разными по знаку), складываются, а ЭДС, наводимые на электродах фоновым зарядом, вычитаются и подавляются инструментальным усилителем 6, как синфазная составляющая. Наводки от зарядной камеры на индукционные измерительные электроды 4 и 5 одинаковы (вследствие симметричности расположения электродов и одинакового расстояния каждого из них до зарядной камеры - источника наводок) и подавляются инструментальным усилителем 6, как синфазная составляющая.

Измерения проводят при различных величинах напряженности магнитного поля, т.е. для различных фракций аэрозоля, и рассчитывают для каждой фракции счетную концентрацию частиц, а также интегральную счетную концентрацию аэрозоля как сумму счетных концентраций всех фракций и ФДС исследуемого аэрозоля.

Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый метод, повышает точность измерения концентрации и обеспечивает получение информации о ФДС аэрозоля.

Источники информации

1. Устройство для непрерывного измерения запыленности газов по а.с. СССР №113558, кл. G 01 N 15/02, Высотский Д.И. и др., заявл. 23.10.56.

2. Устройство для измерения массы дисперсной фазы аэрозоля по а.с. СССР №693165, кл. G 01 N 15/02, Напалков Е.Г., опубл. 25.10.79, бюл. №39 - прототип.

Использование: в области измерения концентраций непроводящих частиц в газовых смесях. Сущность: способ заключается в том, что предварительно знакопеременно-заряженный в зарядной камере коронного разряда переменного тока поток частиц аэрозоля пропускается через область приложенного регулируемого внешнего постоянного магнитного поля, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно потоку аэрозоля, и регистрируется на измерительных электродах. Устройство включает в себя камеру биполярной зарядки частиц аэрозоля, постоянный магнит с регулируемой магнитной индукцией, два измерительных индукционных электрода, экранированных снаружи, расположенных симметрично относительно оси камеры зарядки частиц в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции внешнего постоянного магнитного поля. Технический результат - повышение точности способа измерения счетной концентрации частиц и одновременное получение информации о фракционно-дисперсном составе исследуемого аэрозоля. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения концентрации и фракционно-дисперсного состава аэрозолей, основанный на заряде частиц аэрозоля с помощью коронного разряда с последующей регистрацией ЭДС, наведенной ими на два измерительных электрода, разнесенных симметрично на одинаковое расстояние относительно оси камеры коронного разряда, электрически связанных каждый со своим входом вычитающего устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации и фракционно-дисперсного состава аэрозоля, его заряд осуществляется в поле знакопеременного импульсного коронного разряда, а модулированный по знаку заряда поток аэрозоля обрабатывается в регулируемом постоянном магнитном поле, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно потоку для сепарации частиц в пространстве по знаку и фракционному составу под действием силы Лоренца, измерительные электроды экранированы снаружи и разнесены в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, обеспечивая раздельную регистрацию ЭДС, наведенных положительно и отрицательно заряженными частицами одинаковой дисперсности, которая регулируется во всем диапазоне возможного изменения дисперсности измеряемого аэрозоля изменением индукции приложенного магнитного поля, ЭДС измерительных электродов разного знака алгебраически суммируются вычитающим устройством.2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее диэлектрический корпус с установленными последовательно по потоку аэрозоля камерой биполярной зарядки частиц аэрозоля, полюсами постоянного магнита с регулируемой магнитной индукцией, вектор которой направлен перпендикулярно потоку, и двумя измерительными индукционными электродами, экранированными снаружи, расположенными симметрично относительно оси камеры зарядки частиц в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции постоянного магнита, электрически соединенными каждый со своим входом вычитающего устройства, например инструментального усилителя.