Способ измерения поверхностной концентрации аэрозоля Советский патент 1984 года по МПК G01N15/00 

1 Изобретение относится к измерительной технике, предназначено д|1Я определения поверхностной концентрации аэрозоля и может быть использовано в различных отраслях. науки и техники для оценки концентрации пыли, распыленных порошков и жидких аэрозолей. Известен способ измерения поверх ностной концентрации аэрозоля по интегральному светорассеянию, заключающийся в освещении аэрозольного потока пучком света и регистращш рассеиваемого аэрозольными частицами света фотометром, установлен ным под углом к первоначальному направлению светового потока. Интенсивность светорассеяния при размере частиц, значительно превышающем длину волны светового излучения, пропорциональна квадрату радиу са каждой частицы и, следовательно поверхностной концентрации аэрозоля в освещаемом объеме 1. Недостатком данного способа является зависимость точности определ ния поверхностной концентрации от дисперсного состава аэрозоля. При размере аэрозольных частиц, меньшем длины волны излучения, интенсивност светорассеяния пропорциональна шестой степени радиуса. Таким образом, наличие в аэрозоле частиц разм ром менее 1 мкм ведет к резкому воз растанию погрешности измерения поверхностной концентрации. Известен способ определения поверхностной концентрации частиц, за ключающийся в зарядке потока аэрозольных частиц в поле коронного раз ряда и регистрации изменения коронного тока С2. К недостаткам указанного способа следует отнести погрешности измерения, связанные с флуктуациями корон ного тока, которые приводят к умень шению отношения сигнал-шум и точное ти определения при измерении малых концентраций аэрозоля.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения поверхностной концентрации, включающий ионную зарядку аэрозольных частиц в электрическом поле с последующим измерением их заряда. Измерение заряда частиц производят вне зоны зарядки СЗ.

зарядки.

Таким образом, измеряемый суммарный заряд единицы объема аэрозоля считают пропорциональным ее поверхностной концентрации.

Составляющая заряда qj однозначно определяется произведением ионной 22 Недостатком прототипа является невысокая точность измерения концентрации частиц с размером менее 1 мкм, обусловленная тем, что в суммарный заряд вносит вклад диффузионная составлякяцая зарядки, величина которой не пропорциональна поверхности частицы и является источником погрешности при измерении. Цель изобретения - повьш1ение точности измерения за счет устранения влияния диффузионной составляющей заряда частиц на результат измерения . Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерений поверхностной концентрации аэрозоля, включающему ионную зарядку потока аэрозольных частиц в электрическом поле с последующим измерением их заряда, поток аэрозоля разделяют на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую причем для обеих частей потока поддерживают одинаковое значение параметра зарядки, определяемого как произведение абсолютной величины ионной проводимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений заряда обеих частей потока. При ионной зарядке частиц в электрическом поле общий заряд q складывается из ударной (полевой) составляющей q и диффузионной составляющей q. q q, - 42 (1) Заряд q , приобретаемый каждой частицей в электрическом поле, принимают пропорциональным напряженности поля Е в зоне зарядки и квадрату радиуса г частицы, т.е. пропорциональным ее поверхности q Л. Ег,(2) где д. - постоянная ударной (полевой)

31

проводимости с газа на время t , зарядки и радиусом г частицы

q, a2F(ct)r, (3)

где Лг постоянная диффузионной зарядки .

Эта составляющая не пропорциональна поверхности частиц и является источником погрешности при измерении поверхностной концентрации. В сильном электрическом поле для частиц размером более 1 мкм доля диффузионной составляющей с, пренебрежимо мала. Однако для частиц размером десятые доли мкм обе составляющие соизмеримы, а для частиц еще меньшего размера диффузионная составляющая qj превьпиает ударную cj, . Это обуславливает значительную погрешность измерения поверхностной концентрации аэрозоля при наличии в нем частиц размером менее 1 мкм.

Принципиальное отличие предлагаемого способа от способа выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что поток аэрозоля делят на две части, каждую из которых подвергают зарядке при одинаковых значениях параметра зарядки ct, но различной для каждой из частей напряженности поля Е. Одинаковое для каждой из частей значение параметра ct обеспечивает равенство диффузионных составлянхцих зарядов частиц одинакового размера. В то же время составляющие ударной зарядки, пропорциональные поверхности частиц, различны вследствие неодинаковой напряженности поля. Поэтому разност абсолютных значений зарядов одинаковых объемов аэрозоля двух частей потока пропорциональна только поверхностной концентрации в широком диапазоне размеров частиц.

Таким образом, предлагаемая совокупность операций позволяет обеспечить однозначную связь измеряемого заряда аэрозоля с его поверхностной концентрацией, в том числе и для аэрозоля с размером частиц менее 1 мкм.

На фиг. 1 изображено устройство, в котором поток аэрозоля разделяется на две части с фиксированными раходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую, причем произведение ct подерживают постоянным на фиг. 2 124

устройство, в котором разделение части потока аэрозоля заряжаются ионами разных знаков, а естественный заряд частиц аэрозоля нейтрализуется на входе устройства, на фиг. 3 устройство, в котором зарядка частиц производится при переменной напряженности поля.

В устройстве на фиг. 1 воздуховод 1 разделен на две части проводящей перегородкой 2. В обеих частях воздуховода установлены последовательно по потоку двухсекционные зарядные камеры 3.1 и 3.2 и измерительные электроды 4.1 и 4.2. В каждом измерительном электроде установлены коллекторы заряженных частиц 5.1 и 5.2, например аэрозольные фильтры. Электроды 4.1 и 4.2 подключены к электрометрам 6.1 и 6.2, Зарядные камеры 3.1 и 3.2 состоят из секций коронного разряда и зарядных секций, разделенных сетчатыми электродами 7.1 и 7.2, к которым

подведены потенциалы -vp и ip;} . Зарядные секции образованы проводящей перегородкой 2 и электродами 7.1 и 7.2. В секциях коронного разряда установлены коронирующие электроды

8.1 и 8.2 в виде тонких проволок, на которые поданы потенциалы vf, и «Л . Перегородка 2 подключена к корпусу устройства через измеритель тока 9.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемьй поток аэрозоля пропускают через воздуховод 1. С помощью перегородки 2 его разделяют на две части с фиксированным расходами и , в общем случае не равными друг другу. Соотношение расходов

Wj, и W определяется гидродинамическими сопротивлениями частей воздуховода 1. Частицы аэрозоля

каждой части потока, проходя через зоны зарядки камер 3.1 и 3.2, приобретают электрические заряды. Электрические поля в зонах зарядки направлены в поперечном потоку направлении, их напряженности не равны друг другу, например, EI п 2, где п 1. Напряженности поля Е и Е2 однозначно определяются потенциалами Чд и vp и расстоянием от электродов 7.1 и 7.2 до перегородки 2. Источниками ионов являются коронирующие электроды 8.1 и 8.2, к которым приложены потенциалы f и , превьшающие напряжение зажигания коронного разряда. Знак потенциалов fj, и 2 определяет полярность генерируемых ионов, в рассматриваемом устройстве она может быть любой Одинаковое значение параметра эарядки ct для обеих частей потока обеспечивают заданием- потенциалов Фг и ф - Бремя зарядки t определяется отношением длины зоны зарядки к скорости частицы, движущейся с потоком, ионная проводимость с отношением плотности ионного тока в зоне зарядки к напряженности поля При одинаковых геометрических размерах зарядных камер 3.1 и 3.2 и одинаковых скоростях потока в обеих частях воздуховода 1 прикладывают потенциалы ф. 2 которых выполняется соотношение для токов в цепи перегородки . Токи 3ц и 2. контролируют измерителем тока 9. В процессе измерения значения параметра ct поддерживают посто янными, питая электроды 7.1 и 7.2 8.1 и 8.2 стабилизированным напряжением. Благодаря одинаковым значениям параметра с частицы равного размера имеют на вькодах зарядных камер 3.1 и 3.2 одинаковые диффузионные составляющие заряда и разные ударные составляющие. Заряженны частицы из обеих частей потока осаж дают на коллекторах 5.1 и 5.2. Суммарные заряды осевших на коллектоpax частиц измеряют с помощью элект родов 4.1 и 4.2 электрометрами 6.1 и 6.2. Заряды S и Й2 ;:акопленные на коллекторах 5.1 и 5.2 в единицу времени, определяются выражениями Q A,f, njr( OifM)N/rffr) ofr W-,, Q, 1.Я, )о г Л2РСс«М/Й ( Wi, где N - счетная концентра Д1я части f(r)- плотность распределения вероятностей размеров частиц. По известным фиксированным знач . ниям расходов V и W определяют разность абсолютных значений заряд единичньк объемов аэрозоля. Соглас но формулам (4) и (5) она определя ется выражением Irll- J (6) Поскольку поверхностная концентрация I-00 аэрозоля то, согласо-но (б), разность абсолютных значений зарядов обеих частей потока пропорциональна поверхностной концентрации во всем диапазоне возможных размеров частиц при указанных режимах зарядки. В устройстве на фиг. 2 воздуховод 1 разделен на две равные части перегородкой 2 лишь в зоне зарядки. Измерительный электрод 4, подключенный к электрометру 6, и коллектор 5 общие для обеих частей потока. Зарядные камеры 3, электроды 7 и 8 и измеритель тока 9 включены аналогично устройству на фиг. 1, На входе воздуховода 1 установлен нейтрализатор 10 естественного заряда исследуемого аэрозоля, например, радиоизотопный источник ионов, Устройство работает следующим обра 3 ом. Исследуемый аэрозоль пропускают через нейтрализатор 10 естественного заряда. Изотоп, являющийся источником биполярных ионов, обеспечивает нейтрчшьный заряд аэрозольных частиц, поступающих в зарядные камеры 3.1 и 3.2. Этим достигаются одинаковые начальные условия зарядки положительными и отрицательными ионами в разных частях потока. Поток разделяют на две части с равными расходами W при помопщ проводящей перегородки 2.На электроды 7.1 и 8.1 подают потенциалы и 2. положительной полярности, на электроды 7.2 и 8.2 потенциалы и Ч отрицательной полярности. Потенциалы ф и f поддерживают постоянными, но не равными друг другу по абсолютной величине. Токи в цепи перегородки 2 задают установкой потенциалов Ч и vpj таким образом, что их отношение пропорционально отношению потенциалов frt и ф, ,. а следовательно, и на- . пряженностей поля в обеих зонах за рядки. Этим обеспечивается одинаковость параметра ct для обеих частей потока, которые затем объединяются. Разнополярные заряженлр е частиць осаждаются из потока на коллекторе 5. Заряд, наведенный на электроде 4, равен алгебраической сумме зарядов, накопленных на коллекторе 5. Поскольку расходы в обеих частях потока одинаковы, то измеренный электрометром 6 заряд является раз ностью абсолютных значений заряда разных частей потока. Сигнал на выходе электрометра 6 не требует обработки, так как непосредственно определяется выражением (6) и проп ционален только поверхностной концентрации аэрозоля. В устройстве на фиг. 3 воздуховод 1 разделен на равные части перегородкой 2 в зоне зарядки. Общий измерительный электрод 4 выполнен в виде индукционной камеры, электрометр 6 представляет собой избира тельный усилитель, а на электроды 7.1 и 7.2, 8.1 и 8.2 поданы периодически изменяюсщеся во времени потенциалы f и ф, . и Vj одной полярности. Зарядные камеры 3.1 и 3.2, а также измеритель тока 9 включены аналогично устройству на фиг. 1. Устройство работает следующим образом. Исследуемьй поток аэрозоля разделяют на две равные части с одина ковыми расходами / . Потенциалы t и f{ на электродах 7.1 и 7.2 синхронно изменяют по периодическому закону Н (t+T) во времени. П этом периодически изменяются напряженности поля Е, и Ej в зарядной секции каждой из камер 3.1 и 3.2. Для обеспечения постоянства параметра зарядки ct одновременно изменяют потенциалы 2 и if на эле родах 8.1 и 8.2. При подаче на электроды 7.1 и 7.2, 8.1 и 8.2 импульсов высокого напряжения прямоугольной формы достаточно обеспечи постоянство параметра зарядки ct для двух значений потенциалов f, и . Это осуществляют заданием потенциалов Ф2, и tpj от стабилизированных импульсных источников питания. После зарядки обе части пот ка объединяют, пропускают через 12о общий индукционный измерительный электрод 4 и регистрируют индукцируемый заряд на этомэлектроде. Суммарный заряд Glc. единицы объема потока после зарядки согласно формулы (4) и (5) равен ;uc-Sji f(ct)NJrf(fldf+JL,CE,EI)() . t tift Cf df j, где V (t+T) - периодическая функция изменения напряженное ти, Т - период изменения напряженности . Так как диффузионньп1 заряд, учитываемый первым слагаемым в правой части вьфажения (7) не изменяется в процессе измерения, то он не регистрируется электрометром 6, также как и постоянный по величине естественный заряд исследуемого аэрезоля. Переменная составляющая сигнала Q-Nэлектрометра 6, определяемая ударной составляющей заряда, изменяется во времени по закону ,(E,fc7)4()Nrr°2f(r)ctr (g) .0 Из формулы (8) следует, .что переменная составляющая сигнала пропорциональна только поверхностной концентрации аэрозоля. Для вьщеления переменной составляющей электрометр 6 настроен на частоту ) 1/Т. Таким образом, во всех вариантах способа повьппается точность измерения поверхностной концентрации аэрозоля вследствие устранения влияния диффузионной составляющей заряда частиц на результат измерения. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения поверхностной концентрации аэрозоля в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм до нескольких сотых долей мкм.

Поток аэрозоля

|Л/

у и

8.2 7.2

V

г г

I

1

7.Г kf/

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХ- НОСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЯ путем ионной зарядки потока аэрозольных частиц в электрическом поле и последующего измерения их заряда, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения за счет устрзнения влияния диффузионной составляющей заряда, поток аэрозоля разделяют на две части с фиксированными расходами, одну из которых заряжают при большей напряженности поля, чем другую, причем для обеих частей потока поддерживают одинаковые значения параметра зарядки, определяемого как произведение абсолютной величины ионной производимости газа на время зарядки, а о величине поверхностной концентрации судят по разности абсолютных значений заряда обеих частей потока.

w:

3.2

J./

Ж

г 5:

Г ./

./

Поток озродолй

0.

у; V/

0 0

J.2

10

fl 2 f 0

-1.1

1

If

JD

Поток аэрозоля