Способ определения концентрации дисперсной фазы аэрозоля и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерению концентрации частиц в аэродисперсных средах и может найти применение в различных отраслях промышленности для контроля загрязнений окружающей среды, в санитарной медицине с целью определения аспирационных доз различных аллергенов в условиях запыленных промышленных помещений.

Цель изобретения - повышение информативности измерений концентрации фазы аэрозоля.

Поставленная цель достигается тем, что непрерывно заряжаемый в поле импульсного униполярного коронного разряда аэрозольный поток направляют на импакционно-изме- рительную диэлектрическую подложку, электрически связанную с электрометрическим усилителем, и осуществляют измерение зарядов осевших частиц и частиц в потоке в виде постоянной и переменной составляющих выходного сигнала электрометрического усилителя соответственно.

Согласно теории импакции на подложку, расположенную перпендикулярно оси воздушного потока, будут оседать под действием аэродинамических сил частицы, диаметр d которых больше некоторого значения, называемого границей фракционирования do.

Значение d определяется геометрией сопла и подложки импактора, скоростью воздушного потока и плотностью материала частиц.

Если подложку выполнить в виде электрически изолированной пластинки (лучше всего из диэлектрических материалов), то осаждающиеся на ней заряженные частицы будут создавать на ее поверхности накапливающийся заряд QH, величина которого зависит от концентрации частиц с d do, объемной скорости воздушного потока и времени импакции. Но одновременно с проел С

с о о

со

о

цессом накопления зарядов на поверхности площадки существует процесс их рассасывания, обусловленный токами утечки в диэлектрике, рекомбинантным процессом и т.д.

В результате одновременного воздей- ствия двух противоположных процессов возникаетопределенное динамическое равновесие, характеризуемое конечной величиной накопленного заряда qH, зависящего от концентрации частиц аэрозоля с d do при прочих равных условиях. Если на обратной стороне подложки установить металлическую пластинку, то в результате можно получить простой плоскостной конденсатор, у которого одной из обкладок служит заряженный по- верхностный слой осевших частиц аэрозоля. В результате на металлической пластине возникает индуцированный заряд qMH, равный по величине и противоположный по знаку накопленному заряду qH. Этот заряд qMH в свою очередь преобразуется в соответствующий ему уровень постоянного напряжения при помощи электрометрического усилителя.

При своем движении в воздушном потоке от сопла к подложке и далее над ее по- верхностью заряженные частицы согласно теории электростатической индукции, наводят в ней индуцированные заряды, которые та кже воздействуют на металлическую пластину (измерительный электрод). Но так как зарядка частиц осуществляется в поле униполярного импульсного коронного разряда, наведенныезаря- ды также будут промодулированы по величине с частотой изменения короны. Это приводит к по- явлению на выходе электрометрического усили- теля переменного напряжения, размах которого будет соответствовать общему заряду всех частиц аэрозоля, находящихся в данный момент времени в пространстве над импакционно-из- мерительной подложкой, следовательно, будет пропорционален общей концентрации аэрозоля.

Таким образом, на выходе усилителя суммарный сигнал состоит из постоянной составляющей, характеризующей дисперс- ную фазу аэрозоля с и переменной составляющей, пропорциональной общей концентрации частиц. Если конструктивно установить значение do , равное, например, верхней границе аспирационного диапазо- на, то путем несложной обработки обеих составляющих выходного сигнала можно получить информацию об аспирационной фракции и ее соотношении с общей концентрацией полидисперсного аэрозоля.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ определения дисперсной фазы аэрозоля.

В корпусе 1 последовательно по потоку установлены входное сопло 2, воздушный

фильтр 3, анод 4 зарядной камеры, игольчатый электрод 5, сопло 6 импактора, импакци- онная подложка 7, измерительный электрод 8, электрометрический усилитель 9, блок 10 анализа сигналов. Для питания зарядной камеры используется высоковольтный источник 11 импульсного униполярного напряжения. Отвод воздуха из устройства осуществляется через выходной штуцер 12 при помощи вакуум-насоса.

При включении устройства поток аэрозольных частиц проходит через входное сопло 2 в зарядную камеру, где в зоне импульсного коронного разряда, создаваемого между анодами 4 и игольчатым электродом 5, происходит дрейфовая зарядка частиц в период горения короны (фиг.2а, Do - пороговое напряжение зажигания короны). Часть внешнего воздуха, засасываемого через фильтр 3, создает рубашку чистого воздуха вокруг аэрозольной струи на выходе сопла 2. Создание рубашки позволяет, с одной стороны, осуществить разбавление концентрации аэрозоля до основного диапазона измерения, а во-вторых, значительно уменьшить осаждение частиц аэрозоля на стенках анода под действием электрического поля короны и ионного ветра. Из зарядной камеры аэрозольный поток, про- модулированный по величине заряда, поступает через сопло б в измерительную камеру, в которой расположена импакцион- ная площадка 7 перпендикулярно оси воздушного потока. Принцип работы площадки описан выше.

Наводимые на измерительном электроде 8 заряды преобразуются в потенциальный сигнал при помощи усилителя 9. Блок 10 анализа осуществляет разделение постоянной и переменной составляющих сигнала и их измерение и обработку с целью определения концентраций дисперсной фазы аэрозоля и его заданной фракции.

На фиг.2 представлены графики временных зависимостей сигналов: 2а - импульсное напряжение питания зарядной камеры; 26 - выходной сигнал усилителя 9, где U- - постоянная составляющая сигнала, характеризующая фракцию аэрозоля с размером частиц , a переменная составляющая, пропорциональная общей концентрации частиц аэрозоля.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации дисперсной фазы аэрозоля, включающий зарядку частиц аэрозоля в поле импульсного униполярного коронного разряда и измерение заряда частиц электрометрическим усилителем и определение концентрации частиц, отличающийся тем, что, с

целью повышения информативности измерений, поток заряженных аэрозольных частиц направляют на импакционно-измерительную диэлектрическую подложку, электрически связанную с электрометрическим усилителем, и осуществляют измерение зарядов осевших частиц, и частиц в потоке в виде постоянной и переменной составляющих выходного сигнала электрометрического усилителя соответственно.

2. Устройство для определения концентрации дисперсной фазы аэрозоля, содержащее последовательно по ходу потока входное сопло, анод, коронирующий электрод, соединенные с высоковольтным источником импульсного униполярного напряжения

0

5

вакуум-насос, электрометрический усилитель, соединенный сустройством для анализа сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности измерений концентрации дисперсной фазы аэрозоля, после коронирующего электрода по ходу потока установлены ускоряющее сопло и импакционно-измерительная подложка, представляющая собой металлическую пластину, покрытую со стороны набегающего потока слоем диэлектрика и электрически связанную через электрометрический усилитель с устройством анализа сигнала, которое включает в себя блок разделения постоянной и переменной составляющих сигнала.

Использование изобретения: измерение концентрации частиц в аэродисперсных средах для контроля загрязнения окружающей среды. Сущность изобретения: поток аэрозоля пропускают через зарядное устройство и направляют на импакционно-из- мерительную подложку, представляющую собой металлическую пластину, покрытую с одной Стороны диэлектриком. С помощью электрометрического усилителя и блока анализа измеряют переменную и составляющую сигнала, по которым определяют кон- центрации общей и респирательной фракции частиц. 2 с.п, ф-лы, 2 ил.

Фиг.1

а. .

г/ о.

Фиг, 2