Способ определения концентрации аэрозоля и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК G01N15/02 

(54) СПОСОБ М1РЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

АЭРОЗОЛЯ И УСТГОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

I

Изобретение относится к методам и средствам исследовання физических свойств веществ в части определения концентрации часгиц лвзвешенных в газе и может быть применено для контроля концентрадин и количества пыли в промышленных выбросах с делью защитыокружающей среды от загрязнений.

Известен способ определения ксжцентрации в потоке азрозоля, включающий предварительную зарядку частиц в поле коронного разряда и последующее измерение индукционного заряда, наведенного частицами в измерительном злектроде 1.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому зф( является способ определения концентрации аэрозоля, включающий регистрацию тока коронного разряда, созданного в потоке аэрозоля, при этом разрядный ток уменьшается пропорционально концентрации частиц, а точнее, поверхности частиц в единице объема аэрозоля.

Указанная зависимость с достаточной точностью,

может быть выражена следующим образом.

(i)

где 3с

- начальный ток коронного разряда в отсутствии пыли;

- пмсряемая ксжцентрация;

-коэффициент зарядки, прячем

«:

10

(ЬЧ

(2)

где 0 - козффшфент, сшредепяемый геометрией электродов, ограничи15вающих объем разрядного промежутка, к предельной концеитрапией пыли, запирающей корону (1 - О);

1 1 - зависит от диэлектрической по20стоянн материала частиц я оаределяет степень экранировка частиц злектртпеского поля; t - время зарядки частицы; постоянная времени зарядки, которая может быть представлена г„ А, где е - диэлектрическая постоянная, f - удельное электрическое сопротивление. Из выражений (1) и (2) видно, что известный способ обладает более высокой чувствительностью, так как изменение регистрируемого тока определяется не только электрическим зарядом частиц аэрозоля, но и степенью экранировки электрического поля. В известном способе поток аэрозоля образуется конвективными силами и имеет скорость порядка сантиметров в секунду, что увеличивает время зарядки и позволяет сшгать заряд частиц предельными - в формуле (2), времетюй сомножитель стремится к еди1шце. Тогда для определения концентрации мож}ю воспользоваться формулой (1), предварительно измерив началь1й1Й ток в отсутствии пыли. Способ пригоден только для определения концентрации частиц аэрозоля при малой скорости потока, если в начальный моменг частицы отсутствовали. Устройство, реализующее способ для определения концентра1щи аэрозоля, содержит один коронирующий и ряд осадительных электродов расположенных в потоке аэрозоля {2. Однако применение этого способа для контроля запыленности в промьщшенных газоходах где скорость потока достигает 10 м/с и выше, наталкивается на ряд трудностей: а)неизвестно начальное значение тока корон так как состоя1ше поверхности коронирующего электрода непрерывно изменяется, что ведет к погрешности при измерении по формуле (1) б)невозможно сообщить частицам предельный заряд, так как даже для заряда частиц на 90% от предельного необходимо 0,1 с, а при указанной скорости это потребует электродов длиной более 1 м, что ведет к быстрому выходу прибора из строя вследствие загрязнения осадительных электродов частицами; в)при работе прибора в режиме недозарядки частиц в измеренных значениях кощентрации возникает погрешность, обусловленная зависимостью тока не только от концентрации, но и от скорости потока. Так как известный способ не позволяет определить скорость потока, отсутствует возможность оценки расхода пыли, который равен ,

V - скорость потока;

где F - сечение газохода. Цель изобретения - возможность оценки расхода пыли и повышение точности измерения

где постоянная времени зарядки вычисляется по (3), так как удельное сопротивление коронного разряда без пыли находится по напряженности электрического поля и плотности тока. 4 концентрации путем устранения погрешностей, (условленных пульсациями начального тока и скорости потока при повышенных скоростях, преимущестьенно, в промышленнь х газоходах (дымовых трубах и т.д.). Поставленная цель достигается способом определения концентрации аэрозоля, вк/гючающим регистрацию тока коронного разряда, соз/инного в потоке аэрозоля. Предложенный способ отличается от известного тем, что концентрацию определяют в процессе зарядки или перезарядки частиц по измеренному отношению токов в трех расположенных вдоль потока локальных зонах коронного разряда и соответствующих этим зонам коэффициентам зарядки, вычисленным по скорости потока, найденной из отношения разности токов в трех последовательно расположенных зонах разряда, а по концентращш и скорости судят о расходе пыли. Теоретические основа ния определения концентрации аэрозоля, скорости потока и расхода пыли. Пусть с каждого измерительного электрода 7-9 снимается ток, определяемый выражением (1), где i 7-9 соответствующий номер электрода, тогда При постоянной скорости течения время зарядки , ,где j 1, 2, 3 - расстояние от границы разрядной области. Тогда из (2) можно записать 4 е Подставив цифровые индексы коэффициента зарядки в (5), найдем 7 . Д0 .g Dg- Зд где X - показания логометра 11. Аналогично из (6) найдем (,Vi-e Ъ 8-°9V Расположив электроды 7-9 с постоянным шагом, равным 3 , приравняв (7) и (8), найдем скорость потока Из (1) для токов крайних электродов 7 и обозначив показания второго логометра 12 через У имеем Отсюда находим концентрацию с учетом (6) и (9) о -bV-x где So произведение постоянных величин из (2), может быть измерено путем градуировки для данного материала частиц и геометрии электродов, так как при малых скоростях X - 3, а S - SoУстройство для осуществления способа для определения концентравди аэрозоля, содержащее один коронирующий и ряд осадительных электродов, расположеннь1х в потоке азрозоля, снабжено, по меньшей мере, тремя расположен ными эквипотенциально по юдиому между осадительными измерительными электродами и двумя измерителями отношения токов, например, логометрии, два входа одного из которых соединены с двумя измерительными электродами, а оба входа второго логометра соединены с диагональю двух мостовых схем, образованны соеданением измерительных электродов с резис торами равного сопротивления, причем длина вдоль потока измерительных электродов на порядок меньше осадительных. На чертеже представлена конструктивная схе ма устройства осуществляющего предлагаемый способ. В прямоточном сопле 1, устанавливаемом в потоке исследуемого аэрозоля, расположены электроды: коронирующий в. виде нити 2, уо тановлениой на оси сопла 1 с помощью штифтов 3, а также кольцевые осадительные 4-6 и измерительные 7-9, изолировашсые друг от дру га прокладками. Некорюнирующие электроды 4-9 образуют эквипотенциальную поверхность, причем осадительные электроды 4-6 могут быть заземлены, а расположенные между ними измерительные электроды 7-9 соединены с резисторами 10 равного сопротивления и образуют две мостовые схемы, диагонали которых соединены со входами измерителя отношения токов, напри1 ер логометрамн П. Крайние измерительные электроды 7 и 9 соединены с ана логичным логометром 12. Длина измерительных электродов 7-9 на порядок меньше осадительных 4-6 для того, чюбы в пределах каждого измерительного электрода 7-9 можно было принять ко фициетг зарядки частиц постоянным и достаточно точно измерить обозначенное на чертеже расстояние между электродами. Высоковольтный источник 13 тока соединен с коронирующнм электродом 2 через штифт 3. Диэлектрические вставки 1 обеспечивают изоляцию электродов 4-9 от 2-3. Диффузорная часть вставки позволяет уменьшить скорость потока в сопле 1 в 2-4 раза по сравнению с исследуемым потоком при соблюдении изокинетичности отбора аэрозоля на скоростях выше 10 м/с. Сопло 1 может быть установлено непосредственно в исследуемом потоке или соединено с побудителем тяги. При указанном на чертеже расположении некоронируюших электродов 4-9 исследуемый аэрозоль подают в сопло 1 справа налево. Ток высокого напряжения от источника 13 через штифт 3 подан на нить 2, создающей коронный разряд на электроды 4-9. Находящиеся в исследуемом потоке частицы могут быть заряжены вплоть до предельйого заряда или оставаться нейтральными в электрическом отноше1ми. В зависимости от этого выбором полярности нитя 2 обеспечивают или перезарядку заряженных частиц, или просто производят зарядку нейтральных частиц. Для определенности рассмотрим вариант незаряженных частиц. Тогда в поле короннм-о разряда по мере увеличения заряда на частнцах, перемещающихся вдоль сопла 1, плотность тока в локальных зонах, ограниченных измерительными электродами 7-9, уменьщается. Разность токов двух соседних измерительных электродов 7 и 8, а также 8 н 9, снимаемая и диагоналей мостовых схем (или соответствующая разность потенциалов, определяемая резисторами 10), подается на два входа логометра 11, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный отношению этих разностей токов. Отношение токов крайних измерительных электродов 7 и 9 измеряется логометром 12. По результатам измерения двумя логометрами 11 и 12 сятределяется концентрация аэрозоля с предварительным вычислением коэффициента зарядки (2) в зоне расположения каждого измерительного электрода по скорости потока, найденной из отношений разности токов, измеренного логометром 11. Затем по формуле (4) находят расход пыли. Если необходимо, (шределяют поле скоростей и концентраций перемещением сопла 1 вдоль диаметра газохода. Аналогично {яботает ycтpoйctБo в режиме ерезарядки частиц, только в этом случае разности токов изменяют знак, а отношения токов изменяют степень на минус единицу. Шисаниая принципиальная схема устройства, реализующая шособ (мтределения концентрации аэрозояя, иш1юст|нфует возможность одшюременного измерения концентрации аэрозоля. скорости потока я расхода пыли при повышенной точности измерения концентрации, обусповлениой исключением погрешности вариаций начального тока (значение этого тока не входит в формулу (2) ) и введением аолрлвки на скорость потока при измерении в режиме зарядки или перезарядки частиц. При этом расширен диапазон измеряемых скоростей без увеличения электродной системы в пределах 0,1-10 м/с (3 X 1). В указанном шапазоне скоростей градуировочная харак теристика логарифмически линейна. Динамический диапазсж может быть перенесен в область больших скоростей за счет расширения потока в диффузоре сопла в 2-4 раза. Диапазон измерения концентраций ограничен явлением запирания короны, однако может быть расширен в 5-6 раз повышением электри ческого напряжения на коронируюшем электроДр. Формула изобретения 1. Способ определения концентрации аэроэоля, эаключаюшийся в регистрации тока коронного разряда, созданного в потоке аэрозоля, отличающийся тем, что, с целью расширения информативности и повышения точ ности измере1шя концентрации, определяют в процессе зарядки частиц значения токов в трех расположенных вдоль потока локальных зонах коронного разряда и по соответствующим этим зонам коэффишентам зарядки, вычисленным по скорости потока, найденной из отношения разности токов в трех последовательно расположенных зонах разряда определяют концентрацию, а по концентрации и скорости судят о расходе пыли. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее один коронирующий и ряд осадительных электродов, расположенных в потоке аэрозоля, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, тремя измерительными электродами, расположенными эквипотенциально по одному между осадктельHbiMH электродами и двумя измерителями отношения токов, например, логометрами, два входа одаого иэ которых через резисторы равного сопротивления соединены с двумя измерительными электродами, а оба входа другого логометра включены в диагонали двух мостовых схем, образованных соединением измерительных электродов с резисторами равного сопротивления, причем длина измерительных электродов вдоль потока на порядок меньше осадительных. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Верещагин И. П. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. М., Энергия, 1974, с. 167. 2.Патент США N 3932851, кл. G 08 В 17/10, 1974 (прототип).