Импактор Советский патент 1981 года по МПК G01N15/02 

1

Изоьретение относится к приборам для измерения масс взвешенных частиц, преимущественно аэрозоля, и может быть применено для анализа дисперсного состава и измерения концентрации промьшшенных и природных пылей в диапазоне размеров от субмолекулярных и субмикронных до десятка микрон.

Известно устройство, содержащее фильтр и насос, в котором дисперсный состав частиц определяют седиментацией в суспензии после предварительного осаждения в фильтре 11.

Недостатком этого устройства является низкая точность дисперсного анализа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является из-, вестный импактор, содержащий после довательно расположенные ступени инерционного осг1Ждения частиц аэрозоля, фильтр и форвакуумный насос, который позволяет проводить измерение гранулометрического состава непосредственно в потоке аэрозоля 2.

Недостатком известного импактора является ограниченный по тонким фракциям диапазон анализируемых размеров, определяемый-технологическими

трудностями изготовления сопловых отверстий малого диаметра и ограничением скорости потока в сопле, которая не должна превышать звуковой.

Цель изобретения - повышение точности анализа и расширения диапазона измеряемых частиц, автоматизацию процесса измерения тонкодисперсных частиц для непрерывного контро10ля за выбросами в атмосферу.

Для достижения цели импактор, содержащий йоследовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумный насос, снабжен

15 газоразрядным источником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный анализатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным в виде металлизированно20го фильтра.

Камера осаждения частиц может быть снабжена щелевой диафрагмой, соединенной байпасным трубопроводом с форвакуумньгм насосом, вдоль щели

25 которой расположен один из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненный в виде .нити термофорезного нагревателя или выполнена в виде последовательно рас30положенных ступеней инерционного

осаждения, а коллекторный электрод окружен охранной диафрагмой в виде металлизированного фильтра.

На фиг. 1 представлен импактор, общий вид; на фиг. камера осаждейия частиц в виде ступеней инерционного осаждения, вариант.

Прибор (фиг. )состоит из последовательно соединенных камер осаждения частиц с источником зарядов 1 и квадрупольного анализатора 2 масс-спектрометра. В камере 1 в верхней зоне установлена щелевая диафрагма 3, перед щелью которой с минимальныгл зазором расположен горизонтально электрод 4, выполненный в виде нити термофорезного нагревателя разрядного электрода газоразрядного источника заряженных частиц, соединенного с источником накального напряжения и и с, например, отрицательным полюсом источника, напряжени разряда Up. В нижней зоне камеры 1 установлены экранная диафрагма 5 входа в камеру 2 анализатора, снабженная патрубком 6, выступающим в камеру 1, и положительный электрод 7 газоразрядного источника. Камера 1 снабжена патрубками 8.и 9. Щелевая диафрагма 3 соединена байпасным трубопроводом 10 с вакуумным насосо 11. В камере 2 анализатора установлены квадрупольный конденсатор 12, электроды которого попарно соединен с источником напряжения вида +(и + V cos wt), коллекторный электрод - фильтр 13, соединенный с электрометром 14, и охранная диафрагма-фильтр 15 выхода из камеры 2, причем электрод 13 и охранная диафрагма 15 выполнены в виде идентичных металлизированных, например металлокерамических фильтров, соединенных с насосом 11 параллельно. Насос 11 снабжен вентилями 16, установленными на байпасных линиях. Камера 1 осаждения частиц может быть выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционного осаждения (фиг. 2). Каждая ступень представляет собой систему сопловых отверстий 17 и поверхностей осаждения 18. Камера 19 газоразрядного источника заряженных частиц расположена на входе камеры 2 анализатора и содержит электроды 4 и 7.

В работе с импактором предварительно продувают камеру 1 через патрубки 8 и 9 при закрытых вентилях 1 нагревают нить - электрод 4 током источника накала до перепада температур порядка сотни Кельвинов и открывают вентиль 16 на байпасном трубопроводе 10 после герметизации

патрубков 8 и 9. Камеру 1 откачивают насосом 11 через щелевую диафрагму 3. Одновременно включают источник разряда и производят униполяную зарядку частиц отрицательными

ионами с электрода - нити 4. Заряженные частицы благодаря двойному эффекту термо- и электрофореза выталкиваются из области нити 4 и щели диафрагмы 3, поэтому в насос перетекает обеспыленный газ. Крупные частицы, размер которых находится вне пре;делов измерения, под действием гравитационной и электростатической сил оседают в нижней зоне камеры 1 н электроде 7 и экранной диафоагме 5, патрубок 6 которой препятствует попаданию этих частиц в камеру 2 анализатора. Таким образом, происходит предварительная сепарация частиц при сохранении концентрации анализируемого аэрозоля, несмотря на снижение давления в камере 1. После достижения в камере 1 и 2 вакуума в пределах 10 - 1000 Па перекрывают вентиль 16 байпасного трубопровода 10 и открывают основной вентиль 16. Заряженный аэрозоль через сопло патрубка 6 с заданной скоростью поступает в камеру 2 анализатора вдоль оси квадрупольного конденсатора 12, электростатическое поле которого гиперболического вида в совокупности с гармонической составляющей заставляет частицы перемещаться по сложной осциллирующей траектории. Траектории всех частиц, за исключением узкой фракции определенного отношения заряда к массе, неустойчивы и имеют тенденцию к неограниченному отклонению от оси конденсатора. Частицы с устойчивой траекторией оседают на коллекторном электроде - фильтре 13, заряд которого, измеренный электрометром 14, является мерой фракционной концентрации. Охранная диафрагма - фильтр 15 предотвращает перетекание потока аэрозоля с неустойчивыми частицами на коллекторный электрод фильтр 13

Изменением отношения напряжений U/V на конденсаторе 12 или частоты о; гармонической составляющей производят дисперсный анализ аэрозоля, последовательно определяя долю частиц каждой фракции. Для анализа частиц аэрозоля используют низкую частоту питания 50 -10000 Гц.

Во время работы импактора с камерой инерционного осаждения поток аэрозоля поступает на вход (фиг.2) и через сопловые отверстия 17 последовательно проходит все ступени При обтекании струей запыленного газа поверхностей 18 происходит разделение частиц на фракции в зависимости от скорости потока в сопле. Гидравлические сопротивления отверстий 17 и скорость потока в них подобраны таким образом, чтобы на первой ступени осаждались наиболее крупные частицы, а на следующих все более мелкие фракции. Наиболее мелкие частицы выносятся в камеру 19, где

приобретают униполярный заряд в пол разряда с электродов 4 и 7. Заряженные частицы в потоке газа поступают в камеру 2 анализатора. Гидравлическое сопротивление всего тракта от первой ступени до камеры 19 таково, чтобы непрерывная откачка газа насосом 11 обеспечивала в камере 2 заданный вакуум в 10 - 1000 Па, В предлагаемом импакторе примене гидродинамический способ транспортировки частиц в камере анализатора вместо неэффективного при наличии газа и малом отношении заряда к массе способа электростатического ускорения.

Если частица обладает одним элементарным зарядом, то в поле напряженностью 1000 В/см она имеет скорость около 0,1 м/с при диаметре 1 мкм, а для диаметра 0,1 мкм скорость более 10 м/с при давлении 100 Па. Эти значения скорости и определяют для заданных рабочих параметров прибора диапазон размеров от десятка микрон до молекулярных. Минимально допустимая концентрация частиц одной фракции, исходя из предельно измеримого .тока 5-10 А, составляет 3000 в секунду и соответствует при расходе газа через камеру анализатора 0,1 л/с и давлении 100 Па концентрации при атмосферном давлении З-Ю м или весовой концентрации 1-100 мкг/м для частиц дис1метром 0,01-1 мкм.

Выходной сигнал представляет собой электрическую величину, что обеспечивает возможность автоматизации процесса измерения тонкодисперсных фракций. Нижний предел размеров анализируемых частиц не ограничен и достигает атомарных величин. Разрешающая способность предложенного устройства существенно превосходит параметры известных импакторов, что обуславливает провыиеную точность дисперсионного анализа в области малых размеров, где весовые методы определения величины осадка на поверхности 18 непригодны.

Формула изобретения

1.Импактор, содержащий последовательно расположенные камеру осаждения частиц, фильтр и форвакуумный насос, отличающийся тем, что,- с целью повышения точностии расширения диапазона измеряемых частиц, он снабжен газоразрядным источником заряженных частиц, после которого установлен квадрупольный ана-лизатор масс-спектрометра с коллекторным электродом, выполненным в виде металлизированного фильтра.

2.Устройство по п. 1, о т л и0 чающееся тем, что камера

осаждения частиц снабжена щеле.вой диафрагмой, соединенной байпасным |грубопроводом с форвакуумньм насосом, вдоль щели которой расположен 5 один из разрядных электродов газоразрядного источника, выполненный в виде нити термофорезного иагревателя.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что камера

0 осаждения частиц выполнена в виде последовательно расположенных ступеней инерционного осаждения.

4.Устройство по пп. 1, 2 и 3, отличающееся тем, что

коллекторный электрод окружен охранной диафрагмой в виде металлизированного фильтра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 0 1. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов.М., Химия, 1974, с. 35. 2. Там же, с. 206.