Анализатор подвижности аэрозольных частиц Советский патент 1984 года по МПК G01N15/02 

дЬм формирователя ламинарного потока аэрозоля.

5. Анализатор по пп. 1 и 2, о т личающийся тем, что каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий потенциал Afi на каждом из электродов согласно соотношению

Ul

и Т

где и - потенциал, приложенный к потенциальному электроду.

6. Анализатор по пп. 1 и 3, о тличающийСЯ тем, что, каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий потенциал Ot на каждом из электродов согласно соотношению

U ВиЛ

где г - радиус внутреннего потенцициального электрода.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения параметров аэрозолей и может быть использовано в различных областях науки и техники, например для исследования процессов Зарядки аэрозолей, измерении электрических характеристик атмосферного аэрозоля, при определении дисперсного состава аэрозолей.

Известен анализатор подвижности аэрозольных-частиц, содержащий расположенный в газоходе конденсатор ;поперечного электрического поля, -состоящий из потенциального и заземленного электродов, а такжеколлектор заряженных частиц, связанный с измерительным блоком. В анализаторе подвижности поток аэрозоля проходит через все сечение конденсатора. В поперечном электрическом поле заряженные частицы отклоняются к одному из электродов. Хаотичное движение частиц в поперечном направлении исключается при ламинарном характере потока, который в данном анализаторе обеспечивается за счет ограничения максимальной скорости потока и проходного сечения конденсатора. При заданной скорости потока и напряженности электрического поля на коллекторе осаждаются все частицы с подвижностью, большей некоторого предельного значения К,,,уук.е а также определяющая погрешность анализа часть частиц с подвижностью меньшей ,-что обусловлено различными координа ами частиц во входном сечении конденсатора. Измерительным блоком регистрируется часть частиц, увлекаемых из конденсатора потоком. После обработки результатов измерения можно получить характеристику распределения частиц по подвижности til.

Недостатком данного ансшизатора Iявляется низкая точность, обусловленная неопределенностью координаты осаясдения частиц одинаковой подвиж5 ности вследствие их различного положения во входной сечении конденсатора. Обработка результатов измерения позволяет уменьшить эту составляющую погрешности анализа лишь при

0 заранее известном законе распределения. Кроме того, ограничения на скорость потока и проходное сечение газохода определяют малый объем анализируемой пробы и, как следствие,

с низкую точность анализа при малых концентрациях аэрозоля.

Известен анализатор подвижности, содержащий расположенный в газоходе конденсатор поперечного электричес0 кого поля, состоящий из потенциального и заземленного электродов, в одном из которых выполнено щелевое отверстие, соединенное газоходом с измерительным блоком. На входе кон5 денсатора газоход разделен на две части, в одну из которых через аэрозольный фильтр подается чистый газ, а в другую - исследуемый аэрозоль. Впуск аэрозоля в поток чистого газа

0 производится в узкой зоне, площадь которой составляет несколько процентов от входного сечения конденсатора, что позволяет задать начальную координату частиц. Поток чистого

5 газа ламинаризуется аэрозольным фильтром, а в самом конденсаторе обеспечивается за счет ограничения скорости потока и проходного сечения газохода. Аэрозольные частицы,

д двигаясь с потоком в осевом направлении, осаждаются на электрод со щелевым отверстием на разных расстояниях от входного сечения, определяв-, мых их подвижностью. В щелевое отверстие попадают частицы узкого диапазона подвижностей, ограниченного предельнЕлми при данной скорости потока и напряженности поля значениями Кт и Чадтицы отсасываются в измерительный- блок, выполненный в виде фотоэлектрического счетчика, где измеряется их концентрация. По концентрации частиц при разных значе ниях напряженности поля определяют распределение аэрозольных частиц по подвижностям (.21. Недостатками такого анализатора являются трудоемкость эксплуатации и невысокая точность вследствие необхо димости обдува струи аэрозоля чистым газом и сложности балансировки потоков аэрозоля и чистого газа, каналы которых имеют различное гидродинамическое сопротивление. При изменении скоростей подаваемого аэрозоля или газа появляется погрешность анализа Для анализатора характерны дополнител ные погрешности, связанные с искажением потока и электрического пол над щелевым отверстием электрода. Указанные факторы ограничивают точность данного анализатора подвижности. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является анализатор подвижности аэрозольных частиц, содержащий расположенные в газоходе форми рователь ламинарного потока и конденсатор поперечного электрического поля, СОСТО5ПЦИЙ из потенциального . электрода, подключенного к источнику напряжения, и заземленного электрода, а также коллектор заряженных час тиц, связанный с измерительНЕлм блоком. В известном устройстве формирователь ламинарного потока аэрозоля представляет собой ламинаризирующую решетку и аэрозольный фильтр, установленные последовательно по потоку аэрозоля перед входом в конденсатор Фильтр перекрывает большую часть сечения газохода. При пропускании аэро золя в неперекрытой фильтром части сечения газохода формируется узкая струя аэрозоля в потоке чистого газа. Начальные координаты частиц во входном сечении ограничены стенками аэрозольного фильтра. На участках коллектора заряженных частиц, расположенных вдоль направления потока, ;осаждаются частицы с близкими подвиж ностями. Измеряя измерительным блоком, выполненным в виде электрометра, заряды частиц, накопленных на каждом участке колЯектора, определяют распределение частиц по подвижностям С31. Источником значительной поггрешности анализатора является изменение спектра подвижности анализируемых аэрозолей вследствие осаждения частиц на стенки узких каналов формирователя ламинарного потока аэрозоля. Осаждение вызвано броуновским движением частиц, силами электрического взаил действия, силой тяжести. Поскольку на частицы разных подвижностей эти силы действуют неодинаково, при прохождении заряженных частиц через узкий канал изменяется характер распределения. Необходимость сохранения ламинарного потока по всей длине конденсатора ограничивает максимальную скорость потока. Это обусловливает малый объем анализируемой пробы при заданном времени накопления заряда на коллекторе и низкую точность анализа аэрозолей малых концентраций. Цель изобретения - повышение точности анализа. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем расположенные в газоходе формирователь ламинарного потока аэрозоля и конденсатор поперечного электрического поля, состоящий из потенциального электрода, подключенного к источнику напряжения, и заземленного электрода, а также коллектор заряженных частиц, связанный с измерительным блоком, формирователь ламинарного потока аэрозоля выполнен в виде расположенных между потенциальным и заземленным электродами идентичных по форме и параллельных потенциальному электродов со щелевы-. ми отверстиями, передняя и задняя кромки которых расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению потока, а ширина одинакова и не превышает ширины щелевого отверстия, выполненного в заземленном электроде, под которым расположен коллектор заряженных частиц, причем расстояние Цг от входного сечения конденсатора до задней кромки каждого щелевого отверстия электродов формирователя ламинарного потока аэрозоля задано уравнением i .0/ gCT t /hoK 0- €( t 1,... , - порядковый номер электрода формирователя ламинарного потока аэрозоля, отсчитываемый от потенциального;И. - расстояние от входного Чзечения до задней кромки щелевого отверстия в заземленном электроде; К - расстояние между потенциальным и заземленным электродами;.(.- расстояние от потенциального электрода до i-ro; напряженность электрического поля в конденсаторе на расстоянии X от потенциального электрода, Все электроды анализатора могут быть выполнены в виде плоских парал лельных пластин. , Все электроды анализатора могут быть выполнены также в виде коаксиальных цилиндров. На входе конденсатора поперечног электрического поля может быть уста новлен аэрозольный фильтр, перекрывающий часть его входного сечения между заземленным и ближайшим к потенциальному электродом формирователя ламинарного потока аэрозоля. Каждый электрод формирователя ламинарного потока аэрозоля, выполненный, в виде плоской пластины, может быть подключен к источнику напряжени через аттенюатор, обеспечивающий по тенциал Ui на каждом из электродов согласно соотношению где и - потенциал, приложенный к потенциальному электроду. Каждый э-лектрод формирователя ламинарного потока аэрозоля, выполненный в виде цилиндра, может быть подключен к источнику напряжения через аттенюатор, обеспечивающий поте циал Ui. на каждом из электродов согласно соотношению где г - радиус внутреннего потенциального электрода. Предлагаемый анализатор подвижности позволяет повысить точность анализа распределения аэрозольных частиц по подвижностям за счет формирования ламинарного потока в самом конденсаторе поперечного электричес кого поля с помощью набора параллель ных потоку электродов. При этом исключаются искажения спектра подвижностей при больших скоростях потока в конденсаторе и объемах авализируе мой пробы. Система щелевых отверст в ламинаризирующих электродах, распо ложенных по траектории движения частиц, обеспечивает накопление на кол лекторе заряженных частиц близких подвижностей и ограничивает разброс их входных координат. На фиг.1 показан анализатор под вижности, один из вариантов выцолне ния; на фиг. 2 - то же, второй возможный вариант-выполнения. Анализатор подвижности содержит расположенный в газохйде 1 конденсатор поперечного потоку аэрозоля электрического поля, состоящий из потенциального электрода 2 и заземленного электрода 3. Потенциальный электрод 2 подключен к источнику 4 постоянного напряжения. Анализатор может быть установлен в потоке аэрозоля или для создания потока служит воздуходувка 5, установленная на выходе конденсатора. Формирователь ламинарного потока аэрозоля выполнен в виде набора из двух электродов 6 и 7, идентичных по форме и параллельных потенциальному электроду 2 и расположенных между электродами 2 и 3. При плоском потенциальном электроде 2 электроды 6 и 7 выполнены в виде металлических пластин (фиг. 1) , при потенциальном электроде 2 в виде цилиндра электроды б и 7 представляют собой коаксиальные ему проводящие цилиндры (фиг. 2). Электроды б и 7 могут быть изолированными или подключаться к источнику 4 напряжения через аттенюатор 8 Сфйг. 1), Аттенюатор 8 обеспечивйет потенциалы на каждом электроде б согласно соотношению (2) в случае плоских электродов или согласно соотношению (3) для цилиндрических электродов. В электродах 6 и 7 выполнены щелевые отверстия одинаковой ширины, передняя и задняя кромки которых расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению потока. Для плоских пластин форма щелевых отверстий прямоугольная, в цилиндрических электродах б и 7 щелевые отверстия могут быть выполнены по кольцу или его части. Ширина щелевого отверстия заземленного электрода 3 больше или равна ширине щелевых отверстий в электродах б и 7. Выражения, задающие положение задних кромок, щелевых отверстий в электродах б и 7, в частных случаях (фиг. 1 и 2) соответственно имеют вид 1tИз выражений (4), (5) следует, что задние кромки всех щелевых отверстий плоских электродов 3, б и 7 лежат на одной прямой, а при цилиндрических электродах б и 7 расположены по параболе, Под щелевым отверстием заземленного электрода 3 установлен коллектор 9 заряженных частиц в виде плоской пластины (фиг. 1) ,или кольца, коаксиального электроду 3(.фиг. 2), Коллектор 9 связан с измерительным блоком 10, например измерителем заряда или массы осажденных частиц. На входе конденсатора может быть установлен аэрозольный фильтр 11, например электростатический, перекрывающий часть входн го сечения конденсатора между зазем ленным электродом 3 и ближайшим к .потенциальному электродом 6 (фиг,) Анализатор подвижности работает следующим образом. Поступающий в газоход 1 анализируемый аэрозоль прокачивается возду ходувкой 5 через конденсатор, образова1|ный потенциальным электродом 2 и заземленным электродом 3. На потенциальный электрод 2 от источника 4напряжения подается постоянный потенциал. Количество электродов б формирователя ламинарного потока обеспечивает прохождение аэрозоля через конденсатор без перемешивания слоев при заданном расходе. Попадая во входное сечение конденсатора, азрозольньте частицы движутся вместе с потоком со средней по- сечению ско ростью V и одновременно смещаются вдоль силовых линий электрического поля к заземленному электроду 3 со скоростью Vx СЕ(х , где - подви ность частицы. Уравнение траектории движения частицы можно записать в следую1т,ем виде V rVx м-Х. Г /э - kC j €(- где U - расстояние от частицы до входного сечения конденсатораУй - начсшьная координата частиц во входном сечении. Уравнения движения частицы в поле плоского и цилиндрического конденсатора соответственно имеют вид .У Г f.. гч т к 20 Из выражений С4) , (5) и (7), С8) следует, что кромки щелевых отверстий электродов б и 7 при заданной скорости потока V и потенциале U , приложенном к потенциальному электр ду 2, лежат на тpaктoR и движения частиц определенной подвижности К. . Параллельные кромки щелевых отверстий равной ширины в электродах 6 и 7 ограничивают сечение потока части этой подвижности на коллектор 9. Пр этом ограничивается также часть вхо ного сечения, определяющая область значений начальных координат Х , из которого могут попадать частицы на коллектор 9. Ширина спектра вьще ляемого на коллекторе 9 диапазона подвижностей от кмии до KMAW определяется расположением и шириной щелевнх отверстий в электродах б и 7 ((jmr. 1). Из части входного сечения, прилежащей к заземленному электроду 3, могут проходить на коллектор 9 частицы малых подвижностей. Долю этих частиц можно учесть при анализе, уменьшить путем ограничения входного сечения этих частиц, например, за счет неравномерного шага набора электродов 6 и 7 (фиг. 2) или с помощью аэрозольного фильтра 11, перркрывающего часть входного сечения между электродами 3 и б СФиг. 1). При этом аэрозольный фильтр 11 не влияет на анализируемую часть потока аэрозоля. При высоких концентрациях аэрозоля или при большом времени накопления заряда на коллекторе электрическое поле может искажаться вследствие накопления заряда на электродах 6 и 7. Для исключения накопления заряда их можно подключить к источнику 4 напряжения аттенюатор 8 сфиг. 1). Электрическое поле конденсатора не искажается если потенциал приложенный к электродам формирователя ламинарного потока, задается в соответствии с выражениями С2) и (3), т.е. пропорционален расстоянию до заземленного электрода 3 Б плоском конденсаторе или определяется логарифмическим законом в цилиндрическом. Как следует из уравнений траектории движения частиц (б) , (.7) и 1,8) при изменении скорости потока V или потенциала U, приложенного к электроду 2, на коллекторе 9 из того же сечения регистрируются частицы другой подвижности. Измеряя заряд или массу частиц на коллекторе 9 при каждом значении потенциала или скорости потока измерительным блоком 10, получают концентрацию частиц в каждом диапазоне подвижностей, т.е. функцию распределения анализируемого аэрозоля по подвижностям, а при однозначной зависимости между размером частиц и подвижностью - дисперсный состав аэрозоля. По сравнению с известным устройст.во позволяет полностью устранить составляющую погрешности анализа, связанную с осаждением частиц в узких каналах при формировании струи аэрозоля в потоке чистого газа. Ламинарность потока обеспечивается в предлагаемом анализаторе при значи- . тельно больших расходах анализируемого газа за счет возможности увеличения проходного сечения и количества h электродов формирователя ламинарного потока, что позволяет позы- . снть представительность пробы и точность анализа малых концентраций аэрозоля. Так, например, для анализатора подвижности, выполненного с плоскими параллельными электродами, расположенными с равномерным шагом, условие ламинарности потока можно записать в следующем виде ftk.p//. , где - критерий Рейнольдса для предлагаемого устройства, 2300; Поток аэро 10 х у П

Фиг 1 расход, соответствующий критическому числу Рейнольдса без формирователя ламинарного потока; допустимый расход с формирователем;периметр сечения газохода; ширина электродов. Из отношения (9) следует, что расанализируемого аэрозоля можно личить за счет h на величину Р, лл