Устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей Советский патент 1984 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определений размеров частиц и их концентраций, и может fewb использовано в различных обпясхях науки и техники для исследования состояния атмосферы и контроля запыленности газов. Известно устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содер жащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля ивоздуха и ана лизатор подвижности аэрозольных частиц, выполненный в виде коаксиального конденсатора, .одна из обкладок которого является коллектором заряженных частиц, а также аэрозольный фильтр, задерживающий .частицы, не осевшие на коллектор, соедине.нн1ый с блоком измерения за:ряда. В зарядной камере осуществляется диффузионная зарядка частиц. Аэрозоль в виде узкой струи в оболочке чистого воздуха поступает в анализатор подвижности, где при заданной напряженности электрического поля частицы с раз мером, меньшим некоторого предельного значения, осаждаются на коллектор Частицы сразмером, превышающим это предельное значение, задерживаются на фильтре и измеряется их заряд. Измерения повторяют при различных значениях напряженности поля. Полученная зависимость заряда на фильтре от напрйжснности Поля в--анализаторе подвижности характеризует интегральную функцию распределения частиц аэрозоля по размерам fll, Недостатками устройства являются невысокая точность анализа и ограниченные функциональные в-озможности, связанные с видом полученной функции распределения. Приближенное графическое или аналитичес кое дифференцирование кривой, позволяющее оценить долю частиц в каждом интервале размеров, приводит к дополнительным погрешностям анализа и требует применения .вычислительных блоков.последовательное во времени наквпление частиц отдельных фракций на коллекторе ограничивает применение устройства при анализе аэрозолей с изменяющимися во времени параметра ми. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является устройство для анализа дисперсного состава аэро золей, содержащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку а эрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных , состоящий из внутреннего электрода, подключенного к источнику Нсшряжения, и расположенног® коаксиально с ним секционированного коллектора, выполненного в виде изолированных друг от друга проводящих колец, а также блок измерения заряда частиц, входы блока соединены с секциями коллектора. В анализаторе подвижности заряжённые-частицы под действием сил электрического поля отклоняются к коллектору. При малсм отношении площадей струи ангшизируемого аэрозоля и струи чистого л воздуха координата осаждения частицы на коллектор определяется только подвижностью, зависящей от размера чаетицы. Таким образом, аэрозольные частигда распределяются по секциям коллектора в соответствии с размером. Измеряя заряд, накопленный на каждой секции коллектора за определенное врэмя, получают количественную характеристику содержания, частиц в каждом узком интервале размеров, т.е. дифференциальную кривую распределе- ния аэрозольных частиц по размерам С21... Однако для известного устройства характерны погрешности измерения концентрации аэрозольных частиц каждой акции из-за дополнительного заряг да, наведенного соседними секциями коллектора. Кроме того, устройство не позволяет получать интегральную функцию распределения частиц по размерам, нормировать кривую распределения и определять общую концентрацию аэрозоля, что сужает его функциональные возможности. ПолучаеMEie при анализе аэрозолей данным устройством кривые распределения, не приведенные к одинаковой общей концентрации (ненормированные), затрудняют сравнение дисперсного состава различных аэрозолей. Цель изобретения - повыиение точности анализа путем устранения взаимного влияния зарядов на секциях коллектора при измерении и расширение функциональных возможностей устройства.Поставленная цель достигается тем, что устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содержа|щее установленные в заземленном корjnyce последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц, сострявий иэ внутреннего электрода, подключенного к источнику напряжения, и .расположенного коаксиальнос ним секционированного коллектора, выполненного в виде изолированных одно от другого проводящих колец, а также блок измерения заряда, дополнительно содержит запоминающий электрод, длина которого презъанает длину колле ктора, и измерительный

электрод, длина которого больше дли ны запоминающего, установленные друг за другом с наружной стороны коллектора.коахсиально с ним блок управления, электрометрическое реле и ключи, количество которых равно ч:ислу секций коллектора, причем каждая секция коллектора подключена к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты ключей, запоминающий электрод подключен к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты реле, управляющие входы ключей и реле соединены с соответствующими выходами блока управления, а измерительный электрод подключен к входу блока измерения заряда. ,

Хроме того, устройство снабжено 6s - триггером и компаратором,, вход которого подключен к выходу блока измерения заряда, а выход компаратора соединен с первым входом RS- триггера, второй вход которого подключен через инвертор и запускающую кнопку к корпусу устройства, причем выход 5 триггера подключен к входу источника напряжения, а инверсный выход - к входу блока управления

При этом устройство снабжено измерителем BpeNKHHoro интервала, вход которого подключен к выходу КЗтриггера.

-.Благодаря использованию для измерения наведенных на запоминающем и измерительном электродах зарядов и определенной последовательности сняуия зарядов с секций коллектора и запоминающего электрода, задаваемой, исходя из требуемого вида функции распределения частиц по размерам устраняется взаимное влияние зарядов на коллекторе ирасширяются функциональные возможйости устройства.

На фиг. 1 схематично показан вариант выполнения устройства для анализа дисперсного состава аэрозолей; на фиг. 2 - временные диаграммы работы ключей и электрометрического реле и диаграм№ изменения напряжения iJg(iX на выходе блока измерения заряда в режиме построения дифференциальной характеристики распределения на фиг. 3 - то же, в режиме, построения интегральной характеристики и режиме определения содержания частиц размером а; на фиг, 4 - то же, в режиме определения содержания частиц размером более, чем а. Уровни логической единицы на входах клю с. и электрометрического реле соответствуют замкнутым контактам К7Йочей и реле.

Устройство для анализа дисперсного состава аэрозолей, содержит установленные в корпусе 1 последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру 2, формирователь 3 потока

аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц. Зарядт ная камера.2 может быть выполнена в виде системы электродов униполярного коронного разряда или радиоизотопной ионизационной камеры. Формирователь 3 представляет собой, например, аэрозольный фильтр, пропускающий частицы в узкой кольцевой зоне, внутренний диаметр которой равен диаметру внутреннего электрода 4, и задерживающий частицы в остальнай части газохода,Электрод 4 в виде трубы или стержня, подключенный к источнику 5 постоянного напряжения, и установленный коаксиапьно с ним секционйрованньШ коллектор б из изолированных проводящих колец образует анализатор подвижности. Количество секций коллектора б определяется заданной точностью ступенчатой апроксимации кривой распределения (в показанном на фиг, 1 примере число колец для простоты ограничено пятью), Каждое кольцо коллектора 6 подключено к корпусу 1 через нормально разомкнутые контакты соответствующих ключей 7, выполненных в виде механических преключателей или магнитоуправляемых контактов. С наг ружной стороны коллектора б установлены коаксиально с ним последовательно друг за другом цилиндрические запоминающий электрод 8 и измерительный электрод 9. Длина электрода 8 превыщает длину коллектора б, а длина электрода 9.больше длины электрода 8. Электрод S подключен к корпусу 1 через нормально разомкнутый контакт электрометрического реле 10 например, типа РВ - 4, в качестве реле может использоваться также магнитоуправляемый контакт с малым значением шумового заряда, генерируемого при размыкании. Измерительный электрод 9 подключен к входу блока 11 измерения заряда. Управляющие входы ключей 7 и реле 10 подключены к соответствующим входам блока 12 управления. Блок 12 управлс ния может быть выполнен в виде набора переключателей, замыкаемых оператором в определенной последовательвости, или схемы на логических элементах, обеспечивающей требуемую последовательность выдачи управляющих сигналов с блока 12 управления на ключи 7 и реле 10 беЭ участия оператора.

Кроме того, устройство дополнительно содержит 3 - триггер 13 и компаратор 14. Вход компаратора 14 подключен к выходу блока 11 измерения заряда, а выход - к fe установки нуля й§ - триггера 13. Вход S установки единицы RS - триггера 13 подключен через инвертор 15

и запускающую кнопку 16 к корпусу 1 устройства.

Причем в устройство введен иэмеоитель 17 временного интервала, вход которого подкючен к выходу Й$ .триггера 13.

Устройство работает следу1адим образом. .

Поток анализируемого аэрозоля пропускается через устройство с постоянной скоростью-, В зарядной камере 2 частицы приоЬретбиот униполярный электрический заряд, при этом электрическая подвижность частиц становит ся зависимой от их линейного размера Например, при диффузионной зарядке подвижность частиц монотонно убывает с ростом размера. При прохождении через формирователь 3 образуется узкая струя аэрозоля в оболочке чистого воздуха, что позволяет зафиксировать начальные координаты частиц относительно коллектора 6. При включении источника 5 напряжения частицы смещаются вдоль силовых линий электрического поля от электрода 4 к. коллектору 6. .При фиксированной начальной координате на каждом кольце коллектора б осаждаются частицы близких подвижностей. Таким образом, заряд частиц, осажденных на каждой секции коллектора 6, определяется концентрацией частиц, узкого интервала размеров, а распредел.ение зарядов по -секциям определяется распределением концентрации .частиц по размерам.в исследуемом аэрозоле При постоянном расходе аэрозоля через устройство заряд с и суммарный заряд Q- частиц, осажденных на коллекторе б, нарастают во времени по линейному закону. Заряд g вызывает появление наведенного заряда Qj на электроде 8, а заряд Да наводит заряд- 9 н электроде 9,который непрерывно измеряется блоком 11 измерения заряда. Напряжение ОьЫ)1 3 выходе блока 11 измерения заряда такл;е изменяется по линейному закону (фиг. 2, 3 и 4), Наведенные заряды Qg и Дд равны суммарному накоплен ному заряду GI& , поскольку коэффициент передачи систе1да электродов . err ре МИТ с я к единице при длине электрода 8, превышающей длину коллектора б, и. длине электрода 9, большей длины электрода 8. Крутизна нарастания напряжения определяется концентрацией аэрозоля. Через определенное время Т выключают источник 5 напряжения, при этом прекращается осаждение частиц на коллектор б, Вид получаемой характеристики распределения определяется режимом рабо ты блока 12 управления.

Дифференциальную кривую распределзния полутают следующим образом (фиг. 2), С выхода блока 12 упрдвления на время. A-fe подают питание на оРмотку электрометрического реле 10, При этом замыкаются нормально разомкнутые контакты реле 10 и на корпус 1 снимается свободный наведенный за ряд Ug Электрода 8, На электроде 8 остается равный ему по величине и противоположными по знаку заряд,, связанный с зарядом Цб на коллекторе 6, Поскольку свободные заряды на элект0 роде 8 отсутствуют, заряд на электроде 9 не наводится, и напряжение ОЙУХ. блока 11 измерения заряда бпределяется только собственным дрейфом и шумовым зарядом, возникающим при

5 размыкании контактов р.еле 10, например, вследствие контактной разности потенциалов. Данную составляющую помехи минимизируют за счет выбора малсшумящего -реле 10 ограни0 чения минимального значения времени накопления заряда Т, После размыкания контактов реле 10 по сигналу с выхода блока 12 управления замыкается один из ключей 7,, при этом на за5 земленный корпус 1 снимается заряд с кольца, соединенного с этим ключом. На запоминающем электроде 8 освобождается часть связанных зарядов, численно равная С) , но противоположного знака, которая вызывает поя

явление на измерительном электроде 9 такого же наведенного заряда. Напряжение Обых характеризует концентрацию фракции частиц, осажденных на кольце. Запомненный на электроде 8

5 заряд этой фракции снимается на корпус 1 при послеяуквдем включении реле 10 с блока 12 управления. После Зс йлкания другого ключа измеряется заряд спедуювдей фракции частиц

0 на соответствуккцем кольце. Таким образом, получают временную диаграмму ибыч() COOT нет ствукицую ступенчатой апроксимации дифференциальной кривой распределения частиц аэрозо5 ля по размерам. .

Характеристику аэрозоля, соответствующую интегральной функции распределения частиц по размерам, поиучаиот следующим образом (фиг, 3) .; После нап копления частиц на коллекторе б в течение времени Т с блока 12 управления включают на время uti реле 10. Через замкнутые контакты реле 10 свободные наведенные заряды электрода 8 снима;

с ются на корпус 1, На электроде 8 таются заряды, связанные с зарядомQg на коллекторе 6, наведенный на электроде 9 заряд и напряжение % отсутствуют. После размыкания кон-тактов реле 10 пОгсигналу с блока 12

0 управления замыкается первый ключ 7, напряжение Ugjjvjt при этом пропорционально содержанию в анализируемом аэрозоле наиболее мелких частиц, осажденных на первом кольце. Затем

5с блока 12 управления включают второй ключ. Через замкнутые контакты этого ключа на корпус 1 снимается заряд со второго кольца. На электроде 8 появляется дополнительный свободный заряд, определяемый количеством заряженных частиц на данном кольце. Общий свободный заряд на электроде 8, соответствующий ему наведенный заряд на электроде 9 и напряжение Ugy определяются содержанием частиц размером до aj, где максимсшьный размер частиц,.осажденных на втором кольце коллектора б . После последовательного включения с блока 12. упрсшления ключей 7 получают временную диаграмму ибых tb-) соответствующую ступенчатой апроксимации интегральной кривой распределения частиц аэрозоля по размерам.

Концентрацию частиц размером, например, более а определяют следующим образом (фиг. 4) .. После накопления заряда частиц на коллекторе б с блока 12 управления выдэят сигнал на одновременное включение реле 10 и трех ключей 7. При этом снимаются на корпус 1 заряды на трех кольцах коллектора б и свободный наведенный заряд с электрода 8. На электроде 8 остаются заряды противсхюложного знака, связанные с зарядами и q,g ч.астиц, осаладенных на четвертом и ПЯТОМ кольцах б.. После размыкания контактов реле 10 снимают заряды с соответствующих колец, замыкая с блока 12 управления связанные с ними ключи 7, на корпус 1, При этом на электроде 8 освобождается связанный наведенный заряд/ который наводит равный ему заряд на электроде 9 Поскольку на четвертом и пятом кольцах осгйсдены частицы аэрозоля с размером более а , напряжение Ugpfevx характеризует концентрацию частиц анализируемого аэрозоля с размером более Oti .,

Введение компаратора 14 и RSтг иггера 13 (фиг. 1) позволяет нормировать пс/лучаемые. з арактерйстики аэрозоля, т.е. привести их к одной концентрации. При замыкании запускающей кнопки 16 на входе RS- триггера 13 появляется сигнал логической единицы, на выходе R8 - триггера 13 .такжеформируется сигнал ло-гической единицы, включающий источник 5 напряжения, а на инверсном выходе ЯЗ - триггера 13 - сигнал логического нуля, отключающий блок 12 управления. Выходное напряжение Обых блока i1 измерения заряда, пропорциональное заряду частиц, накапливаемых на коллекторе 69

нарастает с различной скоростью в

зависимости от концентрации аэрозоля. При достижении напряжения Уеллу, превыиающего установленный порог 0 срабатывания компаратора 14 (фиг. 2,

3 и 4), на его выходе появляется сигнал логической единицы. На выходе RS- триггера 13 устанавливает-, ся уровень логического нуля, выключающий источник 5 напряжения, а на

инверсном выходе - уровень логической единицы, включающий блок 12 управления. Таким образом, при различных концентрациях анашизируемого аэрозоля обеспечивается одинаковая

представительность отобранной пробы и, следовательно, одинаковая точность анализа дисперсного состава. , Введение измерителя 17 временногс го интервала, шкала которого отградуирована в единицах концентрации аэрозоля, позволяетизмерять абсо- лютные значения концентрации. Измеритель 17 временного интервала включается RS - триггером 13 одновременно

с источником 5 напряжения и выключается при достижении нормированного значения зар.яда на коллекторе б, фиксируя время накопления, обратно пропорциональное концентрации анализируемого аэрозоля.

Таким обраэс, предлагаемое устройство позволяет по сравнению с известным без применения средств вычислительной техники определять дифференциальные и интегральные характеристики, распределения частиц аэрозоля по размерам. Изобретение позволяет также определять значение общей

концентрации аэрозоля и нормировать функции распределения по общей концентрации. с эрозсля фиг.1

Z/7/

tf72

u,

7.9

гlf.|

If7.5

t ,Jt t

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ, ссздержащее установленные в заземленном корпусе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, формирователь потока аэрозоля и воздуха и анализатор подвижности аэрозольных частиц, состоящий из внутреннего электрода, псяключенного к источнику напряжения, и расположенного коаксиально с ним секционированного кол лектора, выполненного в виде изолированных одно от другого проводящих колец, а также блок измерения заря- да, отличающееся тем, что. с целью повышения точности анализа путем устранения взаимного влияния зарядов на секциях коллектора при измерении и расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит запоминающий электрод, длина которого превышает длину коллек тора, и измерительный электрод, длина которого больше длины запоминающего, остановленные друг за другом с наружной стороны коллектора коаксиально с ним блок управления, электрометрическое реле и ключи, количество которых равно числу секций коллектора, причём каждая секция коллектора подключена к корпусу устpou jBa через нормально разомкнутые контакты ключей, запог-тнающий электрод подключен к корпусу устройства через нормально разомкнутые контакты реле, управляющие входы ключей и реле соединены с соответствунмциi ми выходами блока управления, а измерительный электрод подключен к (Л входу блока измерения заряда. 2.Устройство по п. 1, отлича-ющее ся тем, что, оно снабжено, 5iS - триггером и компаратором, вход которого подключен к выходу блока измерения заряда, а выход компаратора соединен с первым входом S - триггера, второй вхот которого подключен через инвертор и запускающую кнопку к корпусу устройства, О5 причем выход P.S -ттриггера- подклгс 00 чен к входу источника напряжения, а.инверсный выход - к входу блока -4 .управления. 3.Устройство по пп. 1 и 2, о т- лишающееся тем, что оно СО снабжено измерителем временного интервала, вход которого подключен к выходу RS- триггера.

фиг 2

If7.2 Ui3

гп.

т.

If

10

.

L

П

Фиг.З

Vr.if

r I

вб/Х

фиг Л