Способ определения концентрацииАэРОзОльНыХ чАСТиц Советский патент 1981 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к технике исследования различных свойств материалов, в частности к определению концентрации аэрозольных частиц и мо жет использоваться при исследованиях как естественных аэрозолей (например в метеорологии), так и искусственных в химической или медицииско11 техноло гии, а также при санитарном контроле запыленности на различных производствах. Известно устройство для определения запыленности, принцип действия которого основан на улавл чвании частиц фильтром с последующим анализом осадка 1. Однако измерения с помощью таких устройств, трудоемки, длительны и не точны; . Известно также устройство для непрерывного измерения запыленности газов, работающее по принципу зарядки частиц пыли в поле коронного разряда 2. Основным недостатком известного устройства является невысокая чувствительность. Наиболее близким по технической сущности является способ, по котором пропускают исследуемый аэрозоль с за данной скоростью .через счетный объем, образованный пересечением пучка электромагнитного излучения с полем зрения приемной системы, и регистрируют импульсы рассеянного частицами излучения. Концентрацию определяют по интенсивности поступления импульсов и по расходу аэрозоля ч.ерез счетный объем. Причем расход аэрозоля находят как произведение скорости движения аэрозоля на площадь сечения счетного объема, перпендикулярную потоку частиц З. Чтобы избежать слишком большого числа нежелательных многократных совпадений (когда ч счетном объеме регистрируются одновременно более одной аэрозольной частицы) стремятся получить счетный объем как можно меньших размеров, например, в сотые доли милиметра. А при размерах измерение площади сечения счетного об-ъема превращается в сложную задачу которая требует для своего решения использования либо специальной калибровочной аппаратуры (в частности генераторов аэрозоля известной концентрации) , либо устройств для сканирования счетногс объема миниатюрными рассеивающими тест-объектами. Но и в этом случае размеры счетного объема получают со значительной погрешностью, которая отражается на точнос ти определения концентрации. Цель изобретения - упрсадение, повышение точности и быстроты измерений . Поставленная цель достигается тем что измеряют интервалы времени между импульсами, определяют частоту появления интервала cf известной длительностью, затем разбавляют исследуемый аэрозоль чистым воздухом, повторяют измерения с разбавленным аэрозолем и находят .концентрацию частиц по сле дующей зависимости гн() 4Tr.U(l-±jTi 1 - концентрация аэрозольных частиц; U - линейная скорость пропуска ния аэрозоля; W частота появления интервала заданной длительности до и после разбавления соответственно;Т{- известная длительностьинтервала;К - степень разбавления. Точность и оперативность при одновременном упрощении работы повышаются ввиду того, что операция разбав ления намного проще, чем измерение размеров счетного объема (при его ма лых размерах) и не вносит погрешностей. С помощью данной последовательности операций можно, применяя другую расчетную формулу, одновременно определить величину счетного объема, что важно для оценки динамических и других характеристик прибора, т.е. откалибровать прибор по постоянной времени регистрации. В основе предлагаемого способа лежит найденная связь между параметрами вероятностных распределений дли тельностей импульсов и интервалов между ними и истинными значениями . счетной концентрации частиц и размерами счетного объема. Величина концентрации аэрозольных частиц п можно получить из известной зависимости где N - истинная интенсивность импульсов, т.е. количество импульсов в единицу времени от частиц, пропускаемых через счетный объем, площадь сечения которого - S, а скорость дви жения частиц - U . Величина счетного объема V может быть найдена по времени прохождения частицы через счетный объем, т.е. по длительности импульса с выхода фото- 60 65 приемника t и по расходу аэрозоля через счетный объем - ь-и V 5-и.Г (2) Известно, что распределение расстояний между соседними частицами в пространстве описывается зависимостью w(x)4T. п {3} где W(x) - вероятность наблюдения интервала длиной х; п - счетная концентрация частиц. Из формулы (З) видно,.что определить счетную концентрацию частиц можно, измерив каким-либо образом частоту появления интервала длиной х. Однако осуществление прямых (т.е. непосредственно в пространстве) измерений параметра -W(X) является крайне слонсной технической задачей. На практике (например, при использовании фотографических регистраторов) проще определять не сами расстояния между частицами, а проекции расстояний на какую-либо плоскость. Но осуществить переход от проекционного размера к инстинному с малой погрешностью в .этом случае также не удает- . ся. Однако переход от проекционного к истинному размеру оказывается возможным, если счетную концентрацию связывать не с вероятностями W(x), а с.отношением вероятностей )/ WK(X), где W(x) и W(x)- распределения по интервалам х, соответственно, до и после разбавления дисперсных частиц объемом чистого воздуха в К раз. Тогда в качестве параметра X могут выступать длины проекций частиц на какую-либо плоскость. По аналогии с (1) выражение для функции вероятности после разбавления W(((x) можно представить в виде W,(X)4f -«-iI (4) Из (3) и (4) получаем искомое сотношение, связывающее концентрацию отношением вероятностей появления нтервалов до и после разбавления ,J,WK(X) к 1 , Если В качестве измерительного прибора используются фотоэлектрические счетчики, в которых осуществляется измерение оптического сигнала от каждой освещенной частицы в счетном объеме датчика и преобразование его в электрический сигнал, то переход от измеряемых прибором интервалов времени Tl между появлением импульсов к линейным расстояниям X осуществляется по формуле

(&}

X U-Ti

и - известная скорость прососа

где частиц через счетный объем. Формула для определения счетной концентрац ии дисперсных частиц с учетом (6) приобретает вид i KirbK -t-n I ii(TJ Tfl TiHс помощью этой формула по изме- ренным значениям частоты наблюдения интервалов времени длительностью-Т между поступлением в рабочий объем частиц при заданном разбавлении.К и скорости аспирации U нетрудно опреде лить счетную концентрацию частиц в неразбавленном аэрозоле. То, что мы определили счетную кон центрацию аэрозоля и затем по формуле (1).нашли площадь сечения счетного объема S (в направлении движения аэрозоля) не означает, однако, что прибор полностью откалиброван. Для. суждения с постоянной времени и других параметрах датчика нужны сведе НИН о величине счетного объема V. Использование формулы (2) для определения значения V требует дополнительного измерения длительности им пульсов от частиц. Однако«при неболь ших счетных объемах длительность импульсов оказывается зависящей не только от их размеров и скорости дви жения аэрозоля, но и от размера частиц. Практика показывает, что при изме рении, например, капель облаков и ту манов, последняя зависимость приводит к погрешностям измерения 40%. Кроме того, наличие в тракте измерения длительности амплитудного порого вого устройства и электроники с огра ничейной полосой пропускания приводит к некоторому укорочению сигналов меньшей амплитуды.. В целом, погрешности определения- t могут достигать 25-35%, что и приводит к зависи мости размера счетного объема от раз мера частицы. Далее, при больших кон центрациях частиц длительность импульса можетискажаться за счет одно временного попадания частиц в счетный объем. Это также приводит к погретиности или неодноз.начности измерения длительности импульса. Путем про ведения операций разбавлен-ия аэрозоля, измерения распределения интервалов по длительности и проведения соответствующих расчетов можно устранить вышеперечисленные недостатки и определить величину объема .V не измеряя длительности С . . .

с учетом поправки на многократныесовпадения частиц в счетном объеме, соотношение между истинным N и измеренным N значениями тнтенсивности поступления частиц можно представить в виде

) g)

NЕсли же разбавить исследуемый объем воздуха (газа, жидкости), содержащего частицы, равным ему объемом чистого воздуха, то соотношение между новыми значениями N и N изменится за счет уменьшения вероятносг ти многократных совпадений частиц агиВ-Ыг :) Из (8) и (9) можно определить время пролета частицы через счетный объем .ZNi-N : N,i При к - кратном разбавлении формула имеет вид . - (K-2)t5x-7)AV..., гле А- . (10) ™® .J-KNi(H-ip Для более простого случая двукрат.ного разбавления из соотношений (1), .(2) и (10) получаем формулу для определения -величины рабочего объема .-ie --N;i, ,(11) . Для нахождения V достаточно найти из (7) величину счетной кондентрации и измерить значения интенсивности поступления импульсов до и после разбавления аэрозоля . Поскольку при определении концентрации частиц произ-водятся измерения частоты появления интервалов времени TV, целесообразно вместо интенсивностей N.N определять средние значения интервгшов Т и Т (до и после разбавления) . В этом случае соотношение (11) принимает простой и удобный для вычисления вид V i «и i -1 Uf -f ) I , (12) Аналогичный расчетный аппарат может испсхльзоваться и в, случае, когда концентрация частиц измеряется с помсяцью методов, основанных на регистрации изображений, в частности телевиэионных и фотографических. Здесь достаточно осветить частицы импульсным источником света и затем измерить распределение расстояний между изображениями частиц до и после разбавления аэрозоля. Расчетная формула имеет вид (5),

Данная методика особенно эффективна в том случае, если размеры счетного объема прибора различь ы для частиц разных размеров, т.е. показания прибора (по счетной концентрации) зависят от размеров частиц, и необходимо калибровать прибор для каждого размерного интервала. В этом случае измеряют распределение интервалов времени .между поступлением частиц каждого определенного размера.

Работают по предлагаемому способу следующим образом.

Исследуемый аэрозоль с заданной скоростью пропускают через счетный объем, образованный пересечением светового пучка с полем зрения фотоэлектпического приемника, который выдает импульсы, соотве.тствующие пролетающим через счетный объем частицам. Эти импульсы подают на анализатор, который определяет величины интервалов времени между импульсами, и находят частоты появления интервалов в зависимости от их длительности .

Разбавляют некоторый объем исследуемого аэрозоля заданным количеством чистого воздуха, причем степень разбавления (к) выбирают таким образом, чтобы после разбавления суммарный отсчет анализатора, т.е. общее число регистрируемых интервалов,снизилось не менее чем на 30-50%.

Разбавленный аэрозоль пропускают через тот же счетныйобъем и нахоят частоты появления интервалов между импульсами от частиц разбавленного -аэрозоля.

По найденным в результате измерений значениями частоты появления заанных интервалов между импульсами . о и после разбавления .{W.j и W) , а также по известной степени разбавления (к) находят концентрацию аэрозольных частиц с помощью расчетной ормулы (5). Процедуру выбора велиины интервала X, соответственно и , для которого определяются вероятности W и W, поясняет чертеж,где изображены зависимости х - ), при К 2-для отдельных значений

.

10

концентрации частиц 5 10

2 10 см .

Если выборки частиц статически неостаточно хорошо обеспечены и-погрешности измерения частот Wi значительны, то значения интервала X целесообразно задавать большими т.е. на участке кривой - f(х) с малым наклоном. Если невелика погрешность установки (измерения) дли-ны интервала, то целесообразно определять отношение для одного из малых значений х, либо как среднее значение отношения для ряда малых значений х.

Значительные отличия ,j для 5 различных X могут быть вызваны тем, что частицы аэрозоля распределены в пространстве не по случайному закону, либо тем, что показания прибора по счетной концентрации зави.сят от

Q размера аэрозоля. Для проверки первого предложения следует сопоставить измеренные и расчитанные по (3) вероятностные распределения интервалов Tf. Если эти распределения значительно отличаются друг от друга, то это

5 означает, что аэрозоль распределен в пространстве не по закону случайных чисел и описанная методика неприменима. Погрешности указанных измерений практически не ухудшают

0 точности определения концентрации частиц. Нет надобности в сложной аппаратуре для прямых измерений размеров счетного объема (либо для генерации аэрозоля известной концентрации).

5 Все это приводит к упрощению работы и к повышению оперативности инезависимости показанир п от размеров частиц.

Предлагаемая операция разбавлеQ ния проще, чем исключенная операция измерений размеров счетного объема и не требует столь чувствительно аппаратуры. А величина степени разбавления (к) может быть определена

f. с погрешностью +101, т.е. меньшей, чем погрешность инструментального измерения размерЪв счетного объема (при малых его размерах)-, состоящая более 20-30%..

Формула изобретения

Способ определения концентрации аэрозольных частиц, заключающийся в

пропускании исследуемого аэрозоля с заданной скоростью через счетный объем, образованный пересечением пучка электромагнитного излучения- с полем зрения приемной системы, и в регистрации импульсов рассеянного частицами излучения, о т .л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения, повышения точности и быстроты измерений, измеряют интервалы времени между импульсами, определяют частоту появления интервала с известной длительностью, затем разбавляют исследуемый аэрозоль чистым воздухом, повторяют измерения с разбавленным аэрозолем и находят концентрацию частиц по следующей зависимости

, К

fav-wV И -,,-Til-,

Ku-H- jT-.

9 80714310

где n - концентрация аэрозольных1. Пылегазоизмеритель Ouster-2000

частиц;- фирмы Shimazu Vano Shovo, Shird

L/- линейная скорость пропуска-haseniroohi shintani Torigazu Cunaosy

НИЯ аэрозоля,- .Хероп Schimadzu Rev.

частота появления интерва- :

ла заданной длительности до2. Коузов П.А..Основы анализа диси после разбавления соот- персного состава промышленных пылей

ветственнруи . измельченных материалов, Л.,

известная длительность ин- 1971.

.тервалаГ

К - степень разбавления.3. Авторское свидетельство СССР

Источники информации, 197270, кл. G 01 N 15/02, 1965 (пропринятые йо внимание при экспертизетотип).