СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА РАЗМЕРОВ ЯДЕР КОНДЕНСАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к аналитическим измерительным системам, связанным с определением микропримесей, в первую очередь аэрозольных и нано- частиц, в различных газах и их смесях, в том числе в воздушной атмосфере. Оно может найти применение во многих областях науки и техники, в частности при решении различного рода экологических задач, в создании сверхчистых производственных помещений, при контроле дисперсной фазы для адресной доставки лекарственных средств в органы дыхания.

К аналитическим методам и высокочувствительным устройствам, предназначенным для решения тех же задач, что и для описанных в заявляемом техническом решении, относятся: анализаторы электрической подвижности первого (1) и второго рода (2), а также их комбинированный аналог (3) - анализатор подвижности с укрупнением частиц. Все перечисленные приборы - спектрометры, и методы расчета получаемых результатов обладают существенными недостатками: во время электрической зарядки частиц образуются новые частицы в зоне коронного разряда или радиационной ионизации, это вносит дополнительную погрешность в процесс измерения; для проведения одного измерения требуется сравнительно большой объем исследуемого газа, а также необходимо достаточно много времени (до 10 мин) для проведения анализа, при этом обработка полученных данных, их математический обсчет и последующая трактовка носит неоднозначный характер.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является метод и прибор, используемые Институтом химической кинетики и горения СО РАН. (Bashurova V.S., Koutsenogii K.P., Puser A.Y., Shokhirev N.V. Determination of atmospheric aerosol size distribution functions from screen diffusion battery data: mathematical aspects. - J. Aerosol Sci., v.22, n.3, pp.373-388, 1991.) Метод основан на измерении проскоков аэрозольных частиц через диффузионные батареи. Диффузионные батареи (ДБ) представляют собой ряд сеточек, которые устанавливаются на пути потока, содержащего малые аэрозольные частицы. На поверхности этих сеточек осаждаются аэрозольные частицы очень малого размера, при этом доля осажденных частиц тем больше, чем меньшего размера частицы. Если частицы одного размера или их ширина распределения по размерам сравнительно невелика, то определить их размер сравнительно несложно, можно воспользоваться либо эмпирическим методом, - измерив осаждения частиц известного размера, либо теоретически - рассчитав по проскоку коэффициент диффузии частиц, а по коэффициенту диффузии - рассчитать средний размер. Если ширина распределения частиц по размерам сравнительно велика, то задача усложняется. Данные сложности связаны с чисто математическими проблемами. Дело в том, что в этом случае задача сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма первого рода. Часто в таких случаях область определения независимой переменной разбивают на фракции и переходят от интегрального уравнения к системе линейных уравнений. Однако для рассматриваемого случая такой способ непригоден. Во-первых, из-за того, что исходные данные приходится брать из экспериментальных данных, которые часто получены с погрешностями. Во-вторых, определитель такой системы близок к нулю, что не дает возможность рассчитать функцию распределения с хорошей точностью. В силу этих причин приходится разрабатывать более сложные методы решения обратной задачи. Решение обратной задачи в прототипе сводится к прямому решению методом невязки. В свою очередь, это приводит к появлению дополнительных ошибок, расчет сложный и результаты недостаточно достоверны.

Принципиальная схема измерения заключается в пропускании потока с аэрозолями через диффузионные батареи и определении через них проскока. Затем этот проскок сравнивается с расчетным (расчетный размер определяется полуэмпирическим методом). На основании этого сопоставления рассчитывается распределение по размерам частиц.

Сам прибор состоит из диффузионных батарей, конденсационного укрупняющего устройства аэрозольных частиц, регистрирующего оптического счетчика частиц, компьютера, контролирующего работу прибора. В диффузионных батареях происходит осаждение высокодисперсных частиц, по этому осаждению определяют проскок частиц через диффузионные батареи. Устройство содержит компьютер, управляющий системой в целом и производящий первичную обработку и накапливание полученных данных, терморегулятор, контролирующий температуру укрупняющего устройства и обеспечивающий необходимую концентрацию паров для конденсационного роста высокодисперсных аэрозолей, при этом диффузионные батареи, на которые осаждаются мелкие аэрозольные частицы, дополнительно содержат параллельный опорный канал для пропускания анализируемого газового потока, позволяющий учитывать изменение концентрации содержащихся в нем частиц аэрозоля непосредственно во время измерений. Укрупняющее устройство укрупняет аэрозольные частицы до оптически активного размера, позволяющего определить концентрацию частиц, а регистрирующий оптический счетчик определяет концентрацию частиц после их укрупнения.

Технической задачей настоящего изобретения является получение корректных результатов измерений спектра распределения по размерам аэрозольных частиц. В способе это достигается реализованным измерением проскоков частиц, учитывающим изменение концентрации частиц во время измерений с помощью опорного канала.

Технический результат изобретения сводится к упрощению расчета и получению более достоверных результатов расчета спектра размеров частиц.

Технический результат достигается также созданием опорного канала в устройстве, который уточняет измеренные проскоки, если во время измерения происходили неконтролируемые изменения концентрации частиц. В процессе реализации данного технического решения, а также нового расчетного подхода, материализованного в виде соответствующей компьютерной программы, удается сформулировать и решить стабилизированную алгебраическую задачу вместо неустойчивого интегрального уравнения первого рода, применяемого ранее.

Сущность изобретения сводится к следующему. Анализируемый поток воздуха или другого газа, содержащего аэрозольные частицы, пропускается через диффузионные батареи, представляющие собой ряд сеточек, на которых осаждаются высокодисперсные частицы, содержащиеся в потоке. Скорость осаждения зависит от коэффициента диффузии частиц в газе, а диффузия однозначно связана с размером частиц. Таким образом, измерив проскок частиц (долю частиц, которые прошли через батареи без осаждения) через диффузионные батареи, а затем рассчитав его и сравнив с рассчитанным, можно оценить размер этих частиц. Для того чтобы определить концентрацию частиц, прошедших через диффузионные батареи, их необходимо укрупнить до размера, при котором их можно регистрировать оптическим счетчиком аэрозольных частиц. Это достигается конденсацией паров на ядрах частиц с образованием аэрозоля. В настоящем способе используется лазерный аэрозольный спектрометр, чувствительность которого составляет 0.15 мкм. Для того чтобы укрупнить высокодисперсные аэрозольные частицы, на них конденсируют пары низколетучих веществ, в данном случае для этой цели применяется дибутилфталат. Чтобы повысить корректность измерений, перед конденсацией газовый поток пропускают параллельно через диффузионную батарею и дополнительно через опорный канал, учитывающий изменение концентрации аэрозоля непосредственно во время измерений.

Технический результат достигается также использованием стандартного гамма-распределения для описания распределения частиц по коэффициентам диффузии. Эта процедура позволяет проинтегрировать интегральное уравнение и получить нелинейное алгебраическое уравнение относительно параметров распределения для проскоков через диффузионные батареи с различным количеством сеточек. Одновременно эта процедура стабилизирует задачу - небольшие ошибки измерений не вызывают больших изменений в параметрах распределения по размерам.

Описание схемы прибора.

На чертеже представлена блок-схема диффузионного аэрозольного спектрометра.

Прибор состоит из нескольких блоков (см. чертеж). К первому (1) относятся диффузионные батареи сетчатого типа, которые предназначены для того, чтобы на них осаждались мелкие аэрозольные частицы в диапазоне размеров от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Второй блок (2) представляет собой укрупняющее устройство аэрозольных частиц до оптически активного размера. Процесс укрупнения осуществляется для того, чтобы можно было определить концентрацию частиц, которые в своем исходном состоянии не могут быть зарегистрированы оптическими средствами. Третий блок (3) - это счетчик аэрозольных частиц, который предназначен для определения концентрации частиц после их укрупнения. Четвертый блок (4) - это компьютер, который управляет системой в целом, производит первичную обработку полученных данных, накапливает данные. Цифрой (5) обозначен терморегулятор, контролирующий температуру конденсационного укрупняющего устройства и обеспечивающий необходимую концентрацию паров для конденсационного роста высокодисперсных аэрозолей. На входе в систему поток исследуемого аэрозоля разделяется и направляется на основной и опорный каналы. Поток опорного канала обрабатывается укрупняющим устройством (2*) и регистрирующим счетчиком (3*), которые также управляются компьютером (4). На чертеже направление потоков указано стрелками внутри коммуникаций.

Для применения предлагаемой методологии к процессу измерения спектра размеров аэрозольных частиц, как было упомянуто выше, измеряют проскоки через серию диффузионных батарей. Это означает, что измеряются концентрации аэрозоля после прохождения через каждую из диффузионных батарей, которых в нашем случае пять, и через канал без батарей (нулевую батарею). Проскок определяется как отношение концентраций потока с аэрозолем после прохождения через каждую из диффузионных батарей к концентрации после прохождения через нулевую батарею. После этой процедуры полученная экспериментальная кривая проскоков (зависимость проскока от числа диффузионных батарей) подгоняется под зависимость, выражаемую формулой

где n - число сеточек в диффузионной батарее, λ₀ и γ - параметры гамма-распределения:

В результате такой подгонки, которая сводится к решению двух нелинейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными (λ₀ и γ), эти неизвестные вычисляются, и на основании их определяется среднее значение коэффициента диффузии частиц и ширина соответствующего распределения по коэффициентам диффузии. После этого по зависимости между коэффициентом диффузии D и радиусом частицы R

где k=1.38·10^-23 Дж К^-1 - постоянная Больцмана; Т - температура; μ - вязкость газа-носителя; а=1.257; b=0.4; c=0.55 - постоянные безразмерные величины, определяется средний радиус частицы и ширина соответствующего распределения по размерам, которые полностью описывают распределение частиц по размерам. По этим вычисленным параметрам можно легко рассчитать концентрацию частицы в любом необходимом интервале размеров частиц. Следует учитывать, что любое измерение связано с погрешностью, которая при этом возникает. Анализ восстановления распределения частиц по размерам из данных о проскоках их через диффузионные батареи показывает, что, если точность измерения лучше 5%, то можно устойчиво восстановить исходное распределение по размерам. Уменьшить погрешность измерений помогает использование опорного сигнала. Если в процессе одного измерения происходит изменение концентрации аэрозоля, то по измерениям полной концентрации опорного сигнала это изменение учитывается, вводится соответствующий коэффициент в расчеты проскоков, и ошибка уменьшается.

Ниже приводится численный расчет для конкретных измерений. Следует участь, что для предлагаемого метода химическая природа частиц не важна, определяется только геометрический размер частицы.

Пример преобразования измеренных проскоков в параметры распределения по размерам. В результате измерений прибор регистрирует концентрации:

6342 - концентрации частиц после нулевой батареи (0 сеточек);

5595 - второй (3 сеточки);

4560 - третьей (10 сеточек);

3705 - четвертой (20 сеточек);

2811 - пятой (30 сеточек);

размерность концентраций - см^-3.

Эти измерения затем корректируются с помощью показаний опорного сигнала, а затем производится решение системы нелинейных алгебраических уравнений (1)-(3). Результаты этих расчетов:

Средний радиус частиц - <r>=0.1141D-07 м.

Средняя ширина распределения по радиусам - <σ_r>0.1005D-07 м.

На основании этого можно рассчитать, например:

Концентрацию частиц в интервале радиусов 3-6 нм = 654.8170 см^-3.

Концентрацию частиц в интервале радиусов 6-10 нм = 1262.8252 см^-3.

Концентрацию частиц в интервале радиусов 10-15 нм = 1179.6484 см^-3.

Концентрацию частиц в интервале радиусов 15-20 нм = 779.857 см^-3 и так далее.

В 1993 году в Вене (Австрия) проводилась Международная интеркалибровка, в которой принимал участие и аналог настоящего прибора. Эта интеркалибровка показала, что измерения наших приборов находятся в хорошем соответствии с показаниями других приборов, работающих на других принципах, но измеряющих те же самые распределения по размерам наночастиц. Результаты этих измерений были опубликованы в Международном журнале Atmospheric Research. 1. Yu.V.Julanov, A.A.Lushnikov, V.A.Zagaynov. Diffusion aerosol spectrometer - Atmospheric Research, v.62, n.3-4, 295-302, 2002.

2. A.Ankilov, A.Baklanov, M.Colhoun, K.-H.Enderler, J.Gras, Yu.Julanov, D.Kaller, A.Lindner, A.A.Lushnikov, R.Mavliev, F.McGovem, A.Mirme, T.C.O'Connor, J.Podzimek, O.Preining, G.P.Reischl, R.Rudolf, G.J.Sem, W.W.Szymanski, E.Tamm, A.E.Vrtala, P.E.Wagner, W.Winklmayr, V.Zagaynov. Intercomparison of number concentration measurements by various aerosol particle counter. - Atmospheric Research, v.62, n.3-4, pp.177-208, 2002.

3. A.Ankilov, A. Baklanov, M.Colhoun, K.-H. Enderler, J.Gras, YuJulanov, D.Kaller, A.Lindner, A.A.Lushnikov, R.Mavliev, F.McGovem, A.Mirme, T.C.O'Connor, J.Podzimek, O.Preining, G.P.ReischI, R.Rudolf, G.J.Sem, W.W.Szymanski, E.Tamm, A.E.Vrtala, P.E.Wagner, W.Winklmayr, V.Zagaynov. Particle size dependent response of aerosol counter. - Atmospheric Research, v.62, n.3-4, pp.177-209, 2002.

В отличие от представленных в этих работах результатов авторы, используя способ и устройство, описанные выше, получают не только средний размер, но и само распределение по размерам - количество частиц в отдельных интервалах размеров, причем эти интервалы можно изменять в зависимости от поставленной задачи.

Таким образом, из приведенного выше следует, что предлагаемый способ измерения достаточно прост, расчет полученных данных более точен за счет замены интегрального уравнения Фредгольма первого рода на нелинейное алгебраическое уравнение, решение которого найти гораздо проще и оно однозначно, а в совокупности с заявленным прибором дает новые качественные характеристики измерений частиц анализируемых газовых потоков, наглядно демонстрируя специалистам преимущества в расчете спектров аэрозольных частиц предлагаемого изобретения по сравнению с известными.

Изобретение может найти применение во многих областях науки и техники, в частности при решении различного рода экологических задач, в создании сверхчистых производственных помещений, при контроле дисперсной фазы для адресной доставки лекарственных средств в органы дыхания. Способ включает пропускание газа (или смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа, введение их в пересыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества, конденсацию паров на ядрах частиц с образованием аэрозоля, концентрацию которого определяют оптическим счетчиком. Перед конденсацией газовый поток пропускают параллельно через диффузионную батарею и дополнительно через опорный канал, учитывающий изменение концентрации аэрозоля непосредственно во время измерений, и измеряют проскок частиц через диффузионные батареи - долю частиц, проходящих через батарею без осаждения с учетом показаний опорного канала. Производят расчет спектра размеров частиц, используя гамма-распределение частиц по подвижностям и решение системы нелинейных алгебраических уравнений. Устройство для реализации способа содержит диффузионные батареи, укрупняющее устройство, регистрирующий оптический счетчик, компьютер и терморегулятор. Техническим результатом изобретения является упрощение расчета и повышение достоверности измерений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения спектра размеров ядер конденсации в потоке газа, включающий пропускание газа (или смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа, введение их в пересыщенные пары низко летучего укрупняющего вещества, конденсацию паров на ядрах частиц с образованием аэрозоля, концентрацию которого определяют оптическим счетчиком, отличающийся тем, что перед конденсацией газовый поток пропускают параллельно через диффузионную батарею и дополнительно через опорный канал, учитывающий изменение концентрации аэрозоля непосредственно во время измерений, и измеряют проскок частиц через диффузионные батареи - долю частиц, проходящих через батарею без осаждения с учетом показаний опорного канала, затем производят расчет спектра размеров частиц, для этого используют гамма распределение частиц по подвижностям и решение системы нелинейных алгебраических уравнений.2. Устройство измерения спектра размеров ядер конденсации в потоке газа для реализации способа по п.1, включающее диффузионные батареи, укрупняющее устройство, регистрирующий оптический счетчик, отличающееся тем, что устройство содержит компьютер, управляющий системой в целом и производящий первичную обработку и накапливание полученных данных, терморегулятор, контролирующий температуру укрупняющего устройства и обеспечивающий необходимую концентрацию паров для конденсационного роста высокодисперсных аэрозолей, при этом диффузионные батареи, на которые осаждаются мелкие аэрозольные частицы, дополнительно содержат параллельный опорный канал для пропускания анализируемого газового потока, позволяющий учитывать изменение концентрации содержащихся в нем частиц аэрозоля непосредственно во время измерений, укрупняющее устройство укрупняет аэрозольные частицы до оптически активного размера, позволяющего определить концентрацию частиц, а регистрирующий оптический счетчик определяет концентрацию частиц после их укрупнения.