Устройство определения концентрации аэрозоля Советский патент 1993 года по МПК G01N15/02 G01N21/00 

Изобретение относится к охране окружающей среды, а более конкретно - к контролю аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве определения концентрации аэрозоля, включающем пробоотборник с подложкой в виде ленты для осаждения частиц и фотометр для регистрации интенсивности светорассеяния частиц, пробоотборник выполнен в виде электропреципитатора с цилиндрической проточной камерой из фторопласта, вдоль оси которой расположен игольчатый коронирующий электрод, при этом в качестве осадительного электрода использована подложка, выполненная металлической или металлизированной с зеркальной поверхностью.

Известно осаждение частиц на подложку при помощи инерции, термофореза, под действием силы тяжести (гравитационная седиментация), а также осаждение предварительно заряженных частиц в электрическом поле (электропреципитация).

В результате исследований установлено, что отбор пробы путем электропреципитации наиболее эффективен.

Как известно, на заряженную частицу в электрическом поле действует кулонова сила, определяемая выражением

Fk Eqp,

где Е - напряженность электрического поля;

qp - заряд частицы.

Зарядку частиц осуществляют путем осаждения на их поверхность ионов из окружающего объема газа. В качестве источника ионов обычно используется коронный разряд. Величину предельного заряда частицы, помещенной в поле коронного разряда, легко оценить. Действительно, поток ионов, падающих под действием внешнего электрического поля на поверхность частицы прекратится, когда напряженность электрического поля, создаваемого осажденными на поверхности частицы ионами, станет равной напряженности внешнего поля, т.е.

ел

С

00

о о

CJ

ю

ОР

ЯЈ0 d p

Ек,

откуда для предельного заряда частицы получаем выражение:

q p jre0d p E k.

Более детальный анализ, с учетом диэлектрических свойств материала частиц, приводит к следующему выражению для величины предельного заряда:

q p ле0 d p E kf е,

где

Б - 1

fe 1 +2 , о .Ј - относительная

Ј+2

диэлектрическая проницаемость материала частиц.

Поскольку для большинства непроводящих веществ Ј меняется в диапазоне от 2 до 5, множитель f e будет меняться от 1,5 до 2. Для проводников Ј и, соответствен но fg 3.

Принимая во внимание закон Стокса для силы сопротивления легко определить скорость электрического дрейфа заряженных частиц:

Vk -f dpfЈEl,

Оценим значения заряда, кулоновой силы и скорости дрейфа частиц в электрическом поле при нормальных атмосферных условиях в следующем случае:

dp ,Ek 106B , fe 3.

Используя полученные выражения, находим:

-17

qp 8 10 кл ,Fk 8 10

-11

Vk 0,5м -с

-1

Таким образом, несмотря на то, что ку- лонова сила, действующая на частицы в поле коронного разряда, оказывается значительно меньше силы инерции в импак- торах, она все же более чем на два порядка превышает термофоретическую силу и более чем на четыре порядка - силу тяжести, Поэтому электропреципитация является наиболее эффективным приемом осаждения частиц на подложку. К тому же предлагаемая металлическая или металлизированная подложка обладает высокой электропроводностью и может быть непосредственно использована в качестве осадительного электрода. При этом не требуется смазки для удержания частиц на подложке, а сравнительно небольшая скорость электрического дрейфа частиц исключает возможность абразивного разрушения зеркальной поверхности.

Кроме того, использование в предлага0 емом устройстве в качестве осадительного электрода металлической или металлизированной подложки с зеркальной поверхностью позволяет получить дополнительный положительный эффект за счет увеличения

5 светового потока, падающего на отдельные аэрозольные частицы из-за попадания на них дополнительного света, отраженного от подложки.

На чертеже изображено устройство оп0 ределения концентрации аэрозоля, общий вид. ,

Устройство содержит корпус 1, в котором размещены лента 2 для осаждения аэрозольных частиц и лентопротяжный ме5 ханизм 3. В верхней стенке корпуса 1 непосредственно над поверхностью ленты 2 по ходу ее движения последовательно установлены электропреципитатор 4, фотоприемник 5 и осветитель 6.

0 Электропреципитатор 4 выполнен в виде цилиндрической проточной камеры 7 из фторопласта, вдоль оси которой установлен игольчатый коронирующий электрод 8, закрепленный в металлическом держателе 9,

5 впрессованном в верхнее основание камеры 7. Нижнее открытое основание камеры 7 размещено непосредственно над лентой 2, служащей осадительным электродом, которая выполнена металлической или металли0 зированной с зеркальной поверхностью и соединена через токосъемный контакт 10 высоковольтной электрической цепью 11 с коронирующим электродом 8. В верхней части камеры 7, выступающей из корпуса 1

5 устройства, установлен входной патрубок 12, соединяющий внутренний объем камеры 7 с объемом исследуемого воздуха.

Осветитель 6 выполнен в виде тубуса 13, вдоль оси которого последовательно распо0 ложены сверхминиатюрная лампа 14 накаливания СМН10-55, собирающая линза 15 и система диафрагм 16. Причем светящееся тело лампы 14 расположено в фокусе линзы 15, а ось тубуса 13 совпадает с осью линзы

5 и составляет с поверхностью ленты 2 угол 30°.

Фотоприемник 5 выполнен в виде тубуса 17, вдоль оси которого последовательно установлены чувствительный элемент 18, в качестве которого использован фотодиод

ФД-7К, диафрагма 19 и собирающая линза 20. Причем ось тубуса 17, совпадающая с осью линзы 20 составляет с поверхностью ленты 2 угол 30° и проходит перпендикулярно центральной линии ленты, пересекая ее на двух фокусных расстояниях от линзы 20, а чувствительный элемент 18 установлен с противоположной стороны линзы 20 также на двух фокусных расстояниях от нее. При этом оси фотоприемника 5 и осветителя 6 лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Фотоприемник 5 электрической цепью 21 соединен с регистрирующим устройством 22, в качестве которого использован самописец ВД41 фирмы KIPP ZONEN (входное сопротивление 1 МОм).

. В корпусе 1 устройства установлен выходной патрубок 23, к которому подсоединен малогабаритный центробежный вентилятор 24, приводимый в действие электродвигателем 25.

Работает устройство следующим образом. Включается центробежный вентилятор 24, а на коронирующий электрод 8 электро- преципитатора 4 подается высокое напряжение от высоковольтного блока питания (на чертеже не показан), при этом лента 2 поддерживается под нулевым потенциалом. Под действием разрежения, создаваемого центробежным вентилятором 24 в корпусе 1 устройства и в проточной камере 7 исследуемый воздух поступает в электропреци- питатор 4 через входной патрубок 12. Аэрозольные частицы, проходя через проточную камеру 7, попадают в область коронного разряда, возникающего между острием коро- нирующего электрода 8 и лентой 2, где они заряжаются под воздействием потока ионов и осаждаются электрическим полем на зеркальную поверхность ленты. Очищенный воздух через кольцевую щель между нижним основанием камеры 7 и лентой 2 поступает в корпус 1 устройства, откуда затем выбрасывается центробежным вентилятором 24 через выходной патрубок 23.

По истечении заданного времени отбора, центробежный вентилятор 24 и электропреципитатор 4 отключаются. Включаются лентопротяжный механизм 3, осветитель 6, фотоприемник 5 и регистрирующее устройство 22. Происходит перемещение участка

ленты с отобранной пробой в зону регистрации и измерение интенсивности рассеянного пробой света.

Использование металлизированной ленты с зеркальной поверхностью позволяет достоверно регистрировать концентрации аэрозоля от 5 мкг и выше, так как при этом сигнал от пробы аэрозоля не менее чем вдвое превышает величину фонового сигнала от чистой ленты. В то же время можно заключить, что при использовании для отбора проб фильтровальных лент величина фонового сигнала будет соответствовать сигналу от пробы аэрозоля при концентрациях 40Q..1200 мкг/м 3. Таким образом, предлагаемое устройство определения концентрации аэрозоля имеет примерно в 100 раз более высокую чувствительность, чем устройство, принятое в качестве прототипа.

Устройство определения концентрации

аэрозоля обеспечит по сравнению с известными более достоверный и экспрессный контроль аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий, в частности в случае

особо вредных выбросов, предельно допустимые концентрации которых лежат в диапазоне 5...50 мкг.м .

Формула изобретения Устройство определения концентрации

аэрозоля, включающее пробоотборник с подложкой в виде ленты для осаждения частиц и фотометр для регистрации интенсивности светорассеяния частиц, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, пробоотборник выполнен в виде электро- преципитатора с цилиндрической проточной камерой из фторопласта, вдоль оси которой расположен игольчатый коронирующий электрод, при этом в качестве осадительного электрода использована подложка, выполненная металлической или металлизированной с зеркальной поверхностью.

Сущность изобретения: осаждают частицы аэрозоля в процессе электропреципитации на металлическую или металлизированную ленту с зеркальной поверхностью. 1 ил.