Каскадный импактор Советский патент 1982 года по МПК G01N15/02 

(54) КАСКАДНЫЙ ИМПАКТОР

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может найти применение во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо осуществить измерение дисперсного состава, взвешенных частиц в диапазоне 1О-500 нм. Известен импактор для дисперсионного анализа нанометровых частиц, содержащий сопловые камеры 1 . Манометровый диапазон размеров получен использованием технически предельно малых отверстий в соплах при пониженном давлении, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с диаметром частиц и последняя движется в газе со значительным скольжением, Мальй диаметр сопел и значительный коэффициент скольжения способствуют инерционному оседанию сверхтонких фрак ций в камерах каскадного имиактора. Дисперсный состав определяют по количеству осадка каждой фракции. Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому является каскадн импактор для дисперсионного анализа нанометровых частиц, содержащий последовательно расположенные в корпусе сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросселем на два блока. В блоке нанометровых фракций реализован звуковой режим течения газа в соплах и дросселе при сверхкритических перепадах давления, что обеспечивает значительное разрежение, повьпиающее коэ4 фициент скольжения частиц при достаточно высоких числах Рейнольдса, необходимых для сохранения крутизны фракционной характеристики камер осаждения. Прибор обладает предельно высоким разрешением и широким диапазоном границ разделения в нанометровой области размеров 2 . Указанные устройства обладают тем недостатком, что при вариациях температуры исследуемого аэрозоля снижается точность границ разделения фракций. Тем пературная погрешность возникает в с тем, что в зависимости от темпера- . туры изменяется вязкость, скорость звука в газе, а в особенности коэффициент скольжения. Последний изменяется в три раза при разности температур в 400 К, В технологических процессах, в систе мах обеспыливания и атмосферньсс исследованиях температура газа может изменяться в указанных пределах. Цель изобретения - повышение точности границ разделения фракций, т.е. точности дисперсионного анализа, исключением , температурной погрешности путем автоматической ее компенсации в устрой стве. Поставленная цель достигается тем, что в каскадный импактор, содержащий последовательно расположенные в корпус сопловые камеры осаждения, разделен- ные диафрагменным дросселем на два блока, снабжен биметаллическим термоприводом, кинематически связанным с механизмом регулировки сечения дросселя. Механизм регулировки может быть вы полнен в виде иглы, введенной соосно в отверстие дросселя со стороны входа аэрозоли и соединенной с термоприводом Термопривод может быть вьшолнен в виде стержня, соединенного торцами с иглой и корпусом, причем стержень выполней из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термическо1Х) расширения материала корпуса. Термопривод может быть выполнен в виде биметаллической пластины, представ Л5иощей собой коническую шайбу, разрезные края которой шарнирно соединены с диафрагмой, а центр - с иглой, причем металл большего термического расширени расположен с внешней стороны шайбы. Диафрагма в импакторе может иметь цилиндрическую часть, на которой выполнено отверстие дросселя, при этом диафр ма является одним из элементов термо- привода, другим элементом которого является пружинное кольцо, сочлененное по посадке с цилиндрической частью диафрагмы и вьшолненное со сквозным пазом, кромки которого прилегают к отверстию дросселя, и выполнена из мате- риала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала Кэльца. Предлагаемый импактор по принципу работы отличается от,известного тем, что изменяют давление газа регулиров кой сечения дросселя и компенсируют этим влияние вариаций температуры на Гранину разделения фракций. Сущность может быть выявлена из следующих оценок. Граница разделения каждой фракции по диаметру частиц , осаждаемых с эффективностью 5О%, определяется известной зависимостью от параметров аэрозоля и диаметра сопла Д ,4. a, °50 P ViC-Cp)(1) .где плотность частицы, ,V - вязкость и скорость газа, CiCp) - коэффициент скольжения. Три последних величи. ны зависят от температуры приближенно таким образом: .ЕТ° где Р,- - давление газа в каждой ступени. Последняя зависимость (2) получена разложением экспоненты в ряд с погрешностью 5% при длине свободного пробега /.У/Ъ( , Данные величины с целью термостабилизации границ разделения по (1) должны образовать постоянный крмплекс -.; const. СЗ) Подстановкой (2) и (3) при той же погрешности не более 5% получим для звуковой скорости Б соплах p jT const.С4) Отсюда следует принципиальная возможность стабилизации границ разделения при вариациях температуры соответствующим изменением давления. В сипу неразрывности звукового изотермического течения в диафрагме и соплах РФ-Р1Ф1.., t) где Р и Ф - давление перед диафрагмой и площадь отверстия в ней; . Р; иф- - давление в каждой камере ; и площадь сопла следуюшей камеры. Подстановкой (5) в (4) получим (6) На фиг. 1 представлен каскадный импактор с регулирующей иглой, общий вид; на фиг. 2 - пример вьшолнения термопривода; на фиг. 3 - вариант выполнения термопривода с иглой. Каскадный импактор {фиг. 1) состоит из корпуса 1, в котором расположены последовательно сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросселем 2 на блоки камер 3 микронных фракций и камер 4 нанометровых фракций. Каждая камера содержит сопло 5 и поверхность осаждения,, вьшолненную в диафрагме 6. Дроссель 2 снабжен механизмом регулировки его сечения, например в виде иглы 7, введенной соосно в отверстие дросселя 2 со стороны входа аэрозоля для уменьшения паразитного оседания частиц на поверхности иглы 7. Механизм регулировки кинематически связан -с биметаллическим термсприводом образованным стержнем 8 малого термического расширения, соединенного торцами с иглой 7 и корпусом 1 большего термического расширения через одну из диафрагм 6. Стержень 8 проходит через остальные Диафрагмы по плотной, подвижной беззазорной насадке. .Корпус 1, служащий одним из элементов биметаллического термопривода, связан кинематически с диафрагменным дросселем 2. Для уменьшения габаритов термопривода он может быть вьшолнен так (фиг. 2 что функции механизма регулировки сечения дросселя вьшолняют кромки паза пружинного кольца 9 малого термическо расширения, сочлененного по насадке с цилиндрической частью диафрагмы дросселя 2, представляклцей собой второй элемент биметаллического термопривода с большим термическим расширением. Кромки паза кольца 9 плотно прилегают к отверстию и частично его перекрьтают для потока аэрозоля. Для увеличения хода иглы 7 термопривод может быть вьшолнен в виде биметаллической пласти представляющей собой коническую шайбу 10 (фиг. 3), разрезные края которой с помощью шарниров 11 соединены с диафрагмой дросселя 2, а центр - с иглой причем металл 12 большего термическог расширения расположен с внешней стороны шайбы. Для анализа нанометровых частиц по размерам исследуемый аэрозоль пропускают через каскадный импактор, устанав ливая его в области, где корпус 1 импа тора будет находиться при температуре гбиэовой среды. Последовательно обтекая сопла 5, аэрозоль проходит камеры 3, где на поверхностях осаждения диафрагм 6 образуются оса.оки члстиц микронных фракций, затем поступает в камеры 4 . блока нанометроБых фракций через дроссель 2, начальное сечение которого зависит от положения иглы 7, устанавливаемою стержнем 8, кромками паза пружинного кольца 9 или начальным конусом шайбы 1О. Расход газа через импактор обеспечивает звуковое течение в дросселе 2 и соплах 5 нанометрового блока камер 4, образуются осадки наиболее тонких фрикций. Количество (массу) осадка определяют известными способами: взвешиванием, химическим анализом, или оптическими методами. Также известным образом находят дисперсный состав. Начальное сечение дросселя 2 соответствует условиям градуировки импактора, которая заключается в определении границ разделения фракций для каждой камеры 3 и 4 блоков. При работе импактора в среде с температурой, отличной от условий Г1эадуировки, изменением сечения дросселя устанавливают такое давление за ним, т.е. в блоке нанометровых фракций, которое компенсирует влияние вариаций температуры на границе разделения в соответствии с указанными выше оценками при условии, что давление за дросселем ниже атмосферного и коэффициент скольжения нанометровых частиц больше единицьи Например, при росте температуры повышают давление газа, чтобы длина сво.бодного пробега молекул была меньше, что ведет к снижению коэффициента сколь|кения, который компенс1фует повышение с температурой скорости звука и вязкости газа, сохраняя границу разделения фракций. Компенсация температурной погрешности в предлагаемом импакторе происходит автоматически с помощью термопривода. Так, с повьЕцением температуры газа стержень 8 (фиг. 1) расширяется меньше, корпуса 1, поэтому их относительное удлинение приводит к относительному пе ремещению иглы и увеличению сечения дросселя. Черюз увеличенное сечение повышается расход газа, а при постоянных сечениях сопел камер .4 это приводит к повышению давления за дросселем. Аналогично работает термопривод (фиг. 2), где с повышением температуры за счет большего термического расширения диафрагмы дрюсселя 2 (по диаметру) кольцо 9 ршэдвигается, его паз вается и кромки паза раскрывают отверютие дросселя 2. Такая ж операция осуществляется приводом (фиг. 3). С повьпиением темпе ратуры внешний, слой металла 12 расширяется больше внутреннего, угол у конуса уменьшается, края шайбы вращаются в шарнирах 11 и игла освобождает отверстие дросселя 2. Очевидно, что с понижением температуры сечение дросселя во всех случаях уменьшается. Описанная принципиальная схема дисперсионного анализа манометровых частиц показывает, что точность границ раз деления фракций может быть повышена путем автоматической компенсации температурной погрешности в рабочем диапазоне темпер)атур до 4ОО К и выше. Ход иглы относительно диафрагмы при данных температурах и длине стержня 100 мм составляет 0,65 мм, а с йайбой диаметром 4О мм - 2,26 мм, если биметаллические элементы составлены из инвара и нержавеющей стали. Повыше ный ход иглы с шайбой получен за счет рычажной системы, коэффициент редукции которой тем больше, чем ближе угол конуса шайбы к двум прямым. Такие перемещения иглы вполне достаточны для регулирования по расчетной ({юрмуле (6) для изменения плошади отверстия. Если в разложении в ряд коэффициента скольжения (2) использовать более двух членов или если скорость газа отлична от звуковой, что усложняет зависимость (5 то расчетная формула для радиуса иглы принимает более сложный вид. Зависимость типа (6) в этих случаях может быть получена и экспериментальным путем, особенно в области некоррек ности формулы (1), Независимо от спосо ба расчета формы иглы технологический процесс изготовления не усложняется. Для звукового режима течения газа в указанном диапазоне температур прове дена экспериментальная проверка компен сации погрешности с термоприводом (ф1гг. 2), где кольцо латунное, а диафраг ма дросселя алюминиевая. Разность коэффициентов термического расширения составляет 5,3 1О При Б31утрекнем диаметре кольца 2О мм прю- исходит компенсация погрешности, т.е. сокращается граница разделения независимо от температуры. Формула изобретения 1. Каскадный импактор, содержащий последовательно расположенные в корпусе сопловые камеры осаждения, разделенные дкафрагменным дросселем на два блока, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности разделения фракций путем исключения температурной погрешности, он снабжен биметаллическим термоприводом, кинематически связанным с механизмом регулировки сечения дросселя. 2.Импактор по п. 1, отличающийся тем, что механизм регулировки вьшолиеи в виде иглы, введенной соосно в отверстие дросселя со стороны входа аэрозоля и соединенной с термоприводом. . 3.Импактор по пп. 1и 2, отличающийся тем, что термопривод выполнен в виде стержня, соединенного торцами с иглой и корпусом, причем стерже:1ь вьшолиен из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала корпуса. 4.Импактор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что термопривод выполнен в В1де биметаллической пластины, представляющей собой коническую шайбу, разрезные края которой шарнирно соединены с диафрагмой, а центр - с иглой, металл большего термического расширения расположен с внешней стороны шайбы. 5.Импактор по п. 1, отличающий с я тем, что диафрагма имеет цилиндрическую часть, на которой вьшол- нено отверстие дросселя, при этом диафрагма является одним из элементов термопривода, другим элементом которого является пружинное кольцо, сочлененное по посадке с цилиндрической частью диафрагмы и вьшолнённое со сквозным па- зом, кромки которого прилегают к отверстию дросселя, и вьшолнена из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала кольца. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе tPiCat M.T.sutomicroH par-ticte somptiwg w-t caseaae iwipactor-Papii A/7V204 APCA АмииаЕ Aftecting, Ctiicog-o, Juvie z.Herin 6.v.,FEagavi R.C.Qhd FHed Eander э-К.. Desig-n and VaEhotion oi new-pree ure unpactoK.- Evivi o«iiieMlot Scievice avid TecViMoCogv Resea cb, l976,V.n,, p.667-673 (прототип).