Способ измерения среднего размера аэрозольных частиц Советский патент 1984 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к способам измерения параметров аэрозольных час тиц, в частности их средних размеров и может быть использовано при исследовании атмосферного воздуха в санитарно-гигиенических и научных целях при анализе промьшленкых пьшей и порошков и в медицине для контроля ди персности вакционных аэрозолей. Известен способ определения сред него размера аэрозольных частиц, заключающийся в одновременном отборе проб аэрозоля по двум параллельным каналам с различными режимами течения газа и последующей регистрации в каналах концентраций частиц двух различных фракций, по соотношению которых судят о среднем размере частиц lj . Однако соотношение концентраций двух различных фракций не позволяет строго определить ни один из средни размеров частиц, испсУльзуемых при точном описании аэродисперсных систем. Поэтому данный способ используется лишь для качественной оценки дисперсности аэрозолей. Кроме того, .значительные технические трудности представляет разделение аэрозольных частиц в потоке на тонко- и грубодисперсную фракции с достаточной для измерительных целей точностью. Известен также способ измерения среднего размера аэрозольных частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля в диффузионном режиме зарядки, определений доли заряженных частиц и регистрации параметра заряд ки, определяемого как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, по значению которого и дог ле заряженных часУиц судят о их сред нем размере 2J . Однако указанный способ позволяет измерять с достаточной точностью лишь средний размер высокодисперсных аэрозолей в интервале от тысяч-г ных до десятых долей микрона. Аэрозольные частицы размером в десятые доли микрона и более практически все приобретают электрический заряд, при этом доля заряженных частиц приближается к единице, что не позволяет использовать способ для контроля гру бодисперсного аэрозоля, содержащего частицы больших размеров. Недостатком способа является также сложность регистрации незаряженных субмикронных частиц. Например, определение счетной концентрации оптическими счетчиками.становится возможным после предварительного конденсационного укрупнения частиц. Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату способ измерения среднего размера аэрозольных частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при ф 5ксированном значении параметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод. При этом произво- , дят поочередное измерение токов переноса на измерительном электроде при двух различных режимах зарядки: диффузионном и ударном. Величина заряда, приобретаемого частицами при ионной зарядке, имеет различную функциональную зависимость от радиуса частицы в диффузионном и ударном режимах. Это позволяет при фиксированных значениях параметра зарядки Ct (где С - ионная проводимость газаj t - время зарядки) определять средний радиус стационарного потока частиц по отношению токов, переносимых потоками заряженных в двух режимах частиц. Для измерения аэрозоля с изменяющимися во времени параметрами используют параллельное измерение токов переноса частиц, заряженных в двух идентич- , ных измерительных устройствах с разными режимами зарядки. В диффузионном режиме зарядки для обеспечения заданной ионной проводимости С используют электрические поля с очень малой напряженностью, составлякэдей от единиц до десятков В/см. При таких значениях напряженностей влиянием электрического поля на заряд частиц и ударной составляющей заряда пренебрегают и используют при расчетах диффузионный закон зарядки. Для обеспеяения преимущественно ударного закона зарядки создают напряженности электрического паля в сотни раз больше, чем при диффузионном режиме. Известньй способ позволяет измерять дисперсность аэрозолей, содержащих частицы с размером до 5 мкм з. Недостатком известного способа является низкая точность определения среднего размера и области грубодисперсного аэрозоля, содержащего частицы с размером около 1 мкм и более. Это обусловлено тем, что влияние электрических полей не учитывается диффузионным законом зарядки и пренебрежимо мало лишь для частиц субмикронного аэрозоля при напряженностях подпей порядка десятков В/см и менее. Поскольку диффузионная составляющая заряда пропорциональна первой степени радиуса частиц, а неучитываемая в диффузионном режиме ударная составляющая связана с размером квадратичной зависимостью, оши ка резко возрастает в области грубодисперсного аэрозоля. Расчет для монодисперсного аэрозоля, например, с размером частиц 5 мкм при используемых на практике режимах и параметрах зарядки показывает, что доля ударной составляющей, а следовательн и погрешность измерения известным сп собом достигает десятков процентов. С другой стороны, для минимизации указанной составляющей погрешности до приведенных значений обеспечиваю отношения Р напряженностей электрических полей в двух режимах зарядки порядка нескольких сотен. Столь боль шие значения отношение напряженностей полей в разных режимах приводит к усложнению практической реализации спосЬба и появлению других составляющих погрешностей измерения. Так, из вьпэажения для ионной проводимости С j/E (где J - плотность ионного тока, Е - напряженность электрического поля), следует, что для обеспечения фиксированных значений пров димости С в разных режимах зарядки требуются источники ионов с существ но различной производительностью. П отношениях напряженностей полей дес ки и сотни в соответствующее число раз отличаются и скорости дрейфа ча тиц в электрическом поле, что может приводить к различным потерям заряженных частиц в зонах зарядки и, ка следствие, к значительным погрешнос тям измерения. Кроме того, заряды, приобретаемые крупными частицами при диффузионной зарядке значительно меньше зарядов, приобретаемых под действием электрического поля, что приводит к необходимости измерения более малых токов переноса и снижению точности измерения при малых концентрациях аэрозоля. Точное измерение в широком диапазоне токов. 8 . составляющих 10 А и менее даже при высоких концентрациях аэрозоля, вызывает значительные технические трудности. Цель изобретения - повьпиение точности измерения, преимущественно в области грубодисперсного аэрозоля, содержащего частицы с размером более 1 мкм. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднего размера аэрозольных частиц путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значении параметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод, зарядку частиц производят в двух параллельных каналах ионами противоположных полярностей под действием электрических полей с разными значениями напряженности, изменяют отношение потоков заряженных частиц из каналов на измерительньш электрод до взаимной компенсации токов переноса и регистрируют отношение потоков при скомпенсированных токах, а средний размер г частиц определяют по формуле JLfliL 4-4Ci и Р - постоянные диффузионгденого и ударного законов зарядки соответственно, напряженность поля в первом канале; отношение потоков заряженных частиц из первого и второго каналов на измерительный электрод; отношение напряженностей электрических полей в . : первом и втором каналах. В двух параллельных каналах используется только один режим зарядки (под действием электрического поля), но при отличном от единицы отношении напряженностей электрических полей. Взаимная компенсация токов, переносимых потоками разнополярно заря-женных частиц из каналовна общий йзмерительный электрод, обеспечивает условия, при которых средний размер частиц однозначно определяется с y ieтом всех составляющих заряда, приобретаемого аэрозольными частицами под действием электрического, поля. Комп сацию осуществляют изменением отнош ния потоков заряженных частиц на из мерительный электрод. Компенсация достигается, например, путем изменения расходов газа, переносящего заря женные частицы из каналов на общий измерительный электрод, или неселективным разбавлением аэрозоля в канале с большей напряженностью поля. Средний размер частиц определяется достаточ;во простой формулой по отнощению потоков заряженных частиц при скомпенсированных токах переноса. При этом исключаются погрешности, св занные с идеализацией диффузионного режима зарядки, и в результате использ ования одного режима зарядки уменьшаются погрешности, обусловленные значительным отношением напряжен нОстей полей. : На фиг. 1 и 2 схематично показаны варианты устройства, реализующего предлагаемый способ. В первом варианте устройства .(фиг. 1) в потоке аэрозоля установлен воздуховод 1 прямоугольного сече ния, разделенный проводящей пластиной 2 на два параллельных канала рав ного сечения. Пластина 2 заземлена через микроамперметр 3. На воздзосово 1с противоположных сторон пластины 2закреплены на изоляторах два; источ ника 4 ионов выполненные в виде то ких проводов, к которым приложены соответственно положительный+U,и отрицательный- 1)2 потенциалы, превышающие напряжение зажигания коронного разряда. Источники 4 ионов отделены от каналов сетчатыми электродами 5 одинаковых размеров, к одному из которых приложен положительный потен циал +1,, а к другому отрицательный п тенциал -tfj. Электроды 5 совместно с пл.астиной 2 образуют в каждом из каналов зоны зарядки. Последовательн по потоку аэрозоля за зонами зарядки в воздуховоде 1 размещен общий измерительный электрод 6 в виде коробки прямоугольного сечения, установленный на направляющей 7, перпендикулярной направлению потока. Электрод 6 частично перекрывает сече ния обоих каналов и жестко связан со штоком микрометрического винта 8 с нонйусной шкалой, закрепленного на воздуховоде 1, и электрически сое386динен с индикатором 9 тока. Внутри электрода 6 установлен аэрозольный фильтр 10 с проводящими волокнами. Воздушная полость, в электроде 6 за фильтром 10 соединена с воздуходувкой 11. Способ реализуется в данном устройстве следующим образом. В зонах зарядки обоих каналов создают электрические поля с напряженностями Ец и Ел, задавая потенциал н-с на электродах 5 согласно соотношению ) P|(, где р 1. Напряженности полей в каналах при этом также связаны соотношением Е;, PEg, а их векторы направлены в противоположные стороны относительно пластины 2 (фиг. 1). Отношение напряженностей электрических полей Р выбирают в пре-г делах единиц-десятков. При малы значениях Р уменьшается разрешающая способность устройства, при больших увеличиваются, составляющие погрешности, характерные для известного способа. Значения напряженности поля Е, выбирают в пределах нескольких кВ/см. В зонах зарядки обоих каналов . обеспечивают фиксированное значение параметра зарядки Ct. Для этого задают потенциалы + Ui и -U на проводах источников 4 ионов, при которых выполняется соотношение h)l , где ц и 12 - токи в цепи пластины 2, контролируемые поочередно микроамперметром 3 и обусловленные ионными токами в зонах зарядки пер- вого и второго каналов. При указанном равенстве размеров электродов 5 и сечений обоих каналов такое соотношение токов является достаточным для обеспечения фиксированного значения параметра зарядки Ct. В процессе измерения значения потенциаловЧСр, напряженности 4U и -Un поддерживаются постоянными за счет их стабилизации . соответствии со знаками потенциалов на одном из электродов 4 образуются ионы положительной полярности, а на другом - отрицатель- , ной. Генерируемые ионы втягиваются электрическими полями в зоны зарядКИ обоих каналов через сетчатые электроды 5. Поток исследуемого аэрооля с помощью пластины 2 распределя- ют в воздуховоде 1 по параллельным каналам. Проходя с потоком газа через зоны зарядки каналов, частицы аэрозоля приобретают электрический заряд в результате направленного движения ионов под действием электрических полей. Заряды с и („каждой аэрозольной частицы радиуса р в общем случае зарядки под действием электрического поля .складываются из диффузионной и ударной составляющих и определяются для каждого канала с учетом полярности ионов выражениями (1 , , 2) (3) где ос и р.- постоянные диффузионного и ударного законов заряд ки. . При ионной зарядке частиц и фиксированном з.начении параметра Ct независимо от полярности ионов постоян ные fli и |3 имеют фиксированные значения, т.е. одинаковы при зарядке частиц в обоих каналах. Интегральной характеристикой совокупности аэрозольных частиц после зарядки является поток, который представляет собой число частиц, падающих на данную :поверхность Е единицу времени. Часть потоков заряженных частиц из каждого канала пропускают через общий измерительный электрод 6,(Где заряженные частицы задерживаются «Ьильтром 10. При расходах газа W и А/2 из каждого канала на измерительный электрод 6 (фиг. 1) потоки Ф;, и 2 положительных и отрицательных частиц на электрод 6 составляют соответственно Ф,N,/,, (4) где.М и N2- счётные концентрации ча тиц в потоках из первог и второго каналов. Токи, переносимые потоками заряженных частиц на измерительный электрод 6, определяются приращениями, зарядов на: фильтре 10 в единицу вр(йм ни. С учетом выражений (2) - (5), то ки переноса 3 и Og из каждого канал на электрод 6 определяются выражениями, 3,ЛГ,о, + (ЗЕ,, (6) а2-о1г,,,, (7) со. где r Q jrf r dг-средний арифметичес кий размер частиц; Г РбД™й квадратически ° о размер частиц; t(p) - плотность вероятности функции распределения частиц по размерам. В данном устройстве обеспечивается равенство счетных концентраций N, и 2 за счет отбора исследуемого аэрозоля из общего потока по параллельным каналам. В среднем положении электрода 6 относительно пластины 2, что соответ- ствует нулевому положению нониусной шкалы винта 8, равны друг другу расходы А/ и Wj, а следовательно, и потоки Ф, и Ф2. Как следует из выражений (6) и (7), токи переноса и do при указанных условиях несКомпенсированы при любых средних размерах. Индикатор 9 тока регистрирует наличие суммарного положительного тока переноса (поскольку Е j( Ео) на электроде 6.Для взаимной компенсации токов переноса изменяют отношение потоков заряженных частиц путем изменения расходов W, и /2. Для этого электрод 6 перемещают винтом 8 по . направляющей 7 в сторону канала с меньшей напряженностью поля до достижения равенства нулю суммарного тока переноса, регистрируемого инди.катором 9 тока. Поскольку линейные |Скорости частиц в обоих потоках .одинаковы, отношение расходов W, и W2 для скомпенсированных токов переноса определяется отношением площадей прямоугольного электрода 6, на которые попадают частицы из каждого канала. Отношение площадей, в свою очередь, определяется положением электрода 6 относительно пластины 2, которое и определяет отношение потоков заряженных частиц К Pj , меньшее единицы. При выборе нулевого положения шкалы винта 8, соответствукщего симметричному расположению электрода 6 относительно пластины 2, отношение k связано с отклонениемВ шкалы винта 8 от нулевого положения зависимостью..tli, (8) ; где I L - ширина электрода 6. Из уравнений (6) и (7) и равенства токов 3i и Зо при взаимной компенсации следует, что при указанном отношении потоков имеет место равенство ol.o(P2-P V-PloU,«P.-E): Выражение (9) можно, представитьв следующем виде: Полученное отношение д/г является средним размером частиц аэрозоля. В наиболее часто встречающемся на практике случае логарифмически нормального распределения частиц по размерам это отношение совпадает со ° средним кубическим радиусом зо Н I.о характеризующим распределение объема и массы частиц аэрозоля по размерам Для частиц монодисперсного аэрозоля выражение (10) определяет их радиус. Величина ,уявляется постоянной устройства, которая может быть определена теоретически или при калибровке. Таким образом, средний размер аэрозольных частиц однозначно определяется формулой (1), совпадающей с выражением (10) по полученному значению отношения потоков. В другом варианте устройства.реал зу ощего предлагаемый способ (фиг.2), электрод 6 с установленным в нем фильтром 10 перекрывает все сечение возд ховода 14 Первый из параллельных каналов перед зоной зарядки имеет обводной канал, в котором установлены последовательно по потоку воздуходувка 11с регулируемой производи тельностью, расходомер 12 и аэрозоль ный фильтр 13. Способ реализуется в этом варианте устройства следующим образом. При выключенной воздуходувке 11 обеспечивается равенство потоков за.( .ряженных частиц Ф к счет одинаковых расходов газа и концентраций При этом в соответствии с выражениями (&) и (7) индикатор тока 9 регистрирует на электроде 6 положительный ток переноса.,Это обусловлено большей напряженностью полц в первом канале. Отношение потоков заряженных частиц 9 и -Р2 изменяют путем уменьшения счетной концентрации аэро золя NI при равенстве расходов W и 2 газа через измерительный электрод 6 в обоих каналах. Для этого включают воздуходувку 11 и отфильтровывают от частиц с помощью фильтра 13 часть потока аэрозоля в. первом канале. Расход отфильтрованного газа VJ контролируют расходомером 12. Отфильтрованньп газ перед зоной зарядки возвращаются в поток аэрозоля первого канала. Таким образом, при постоянном расходе газа W, через измерительный электрод 6 в первом канале изменяется счетная концентрация частиц в потоке, связанная с концентрацией исследуемого аэрозоля и, соответственно, с концентрацией частиц 2 во втором канале соотношением . - N, N,(b (11) . Изменением производительности воздуходувки 11 регулируютфасход отфильтрованного газа Wl, до взаимной компенсации токов переноса J и J2 контролируемой по суммарному току переноса индикатором 9 тока. Затем определяют отношение расходовV i | 1отфильтрованного газа и полного потока в первом канале по расходомеру 12. При этом отношение k потоков заряженных частиц с учетом выражений (4), (5) и (11) определяется формулой к.,Средний размер аэрозольных частиц определяется по полученному значению k формулой (1). Таким образом, предлагаемый способ измерения среднего размера аэрозольных частиц по сравнению с известным способом позволяет повысить точность измерения в. области грубодисперсного аэрозоля путем учета всех составляющих заряда аэрозольных частиц на десятки процентов и использования одного режиму зарядки с более близкими, чем в прототипе, напряженностями полей, а также повысить точность способа в результате использования нулевого метода измерения, позволяющего заменить процесс измерения малых токов в широком диапазоне на индикацию минимума тока и измерение относительного расхо - да или линейного перемещения в узком динамическом диапазоне, что достигается с точностью порядка 1% и совместить преимущества параллельного анализа, связанные с возможностью змерения размера в аэрозолях с изе няющимися во времени параметрами,

,11110053812

с достоинствами последовательного ства, за счет параллельной зарядки измерения, связанными с использова- частиц и перераспределения их потоков нием одного измерительного устрой- на общий измерительный электрод.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ путем ионной зарядки частиц в потоке аэрозоля при фиксированном значении па-, раметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа на время зарядки, и последующего переноса заряженных частиц на измерительный электрод, о т л ич а ющ и и с я тем, что, с целью повыше- . ния точности измерения в области грубодисперсного аэрозоля, зарядку частиц производят в двух параллельных каналах ионами противоположных полярностей под действием электрических полей с разными значениями напряженности, изменяют отношение потоков заряженных частиц из каналов на измерительный электрод до взаимной компенсации токов переноса и регистрируют отношение потоков при скомпенсированных токах, а средний размер г частиц определяют по формуле . ц. 1 р. ) где od и р - постоянные диффузионного и ударного законов (Л зарядки соответственно-, Е, напряженность поля в первом канале; ,k отношение потоков заряженных частиц из первого и второго каналов на измерительный электрод, Р отношение напряженностей электрических полей в первом и втором каналах.

Поток азрозолр

, Л ,

Поток аэрозоля