Способ калибровки фотоэлектрических спектрометров аэрозолей
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (1% (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABT0PCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3384231/18-25 (22) 04. 11. 81 . (46) 15.08. 83. Бюл. 1 30 (72) Н.K. Никифорова (71) Институт экспериментальной метеороло гии (53) 66. 063.62(088.8) (56) 1. Акульшина Л.Г. и др. Фото" электрический прибор для измерения спектра. и концентрации жидких частиц аэрозоля. Труды ИПГ, вып. 7, 1g6g, с. 41-48.
2. "Ftne jiartfclesУ,. ed. 71on, Асад. Press, М-У, 1976 р. 535 (54) (57), СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ФОТОЭЛЕКТ1РИ4ЕСКИХ СПЕКТРОМЕТРОВ АЭРОЗОЛЕЙ, :заключающийся .в пролускании монодисперсных частиц с известной скоростью через рабочий объем и регистрации зш G01 и 1 00 601 и 15/02 импульсов, по которым определяют зависимость параметров фотоэлектрических спектрометров аэрозолей от размеров частиц, о т л и ч а ю щ и ис я тем, что, с целью, повышения
:точности определения концентрации частиц аэрозолей, для частиц каждого размера определяют. число импульсов,,появившихся на выходе фотойриемни, ка за фиксированный интервал времени увеличивают концентрацию частиц и
:вновь измеряют число импульсов, пов:торяя эти операции до тех пор, пока, онб не начнет уменьшаться, и по максимальному числу импульсов опреде-. ляют.площадь перпендикулярного траек:,торйям частиц сечения рабочего обье:ма для каждого размера частиц, а затем считывают концентрацию частиц аэрозолей по известной формуле.
1035476
Изобретение относится к способам калибровки фотоэлектрических спектрометров аэрозолей (ФЭС) и может быть использовано в приборостроении, метрологии и в областях техники, 5 где применяются ФЭС.
Известен способ калибровки ФЭС, например седиментационный. При калибровке размер частицы определяют по времени прохождения ею вертикально- 10 го цилиндра (по закону Стокса) перед ,попаданием в рабочий объем 1 ).
Недостатком седиментационного способа является ограниченность диапазона размеров частиц. 15
Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки ФЭС с помощью набора монодисперсных эталонных частиц, заключающийся в пропускании монодисперсных частиц с известной 2О скоростью через рабочий объем и регистрации импульсов, по которым определяют зависимость параметров Фотоэлектрических спектрометров аэрозолей от размеров частиц Для монодис- 25 персных частиц различных размеров строят график зависимости амплитуды импульсов 0 от размера частиц d, Калибровку проводят в режиме малых концентраций частиц n(n Ч(< 1, где Чрабочий объем ФЭС), так как иначе из-за случайного распределения частиц в пространстве возрастает вероятность одновременного попадания в рабочий объем двух и более .частиц, которые
35 регистрируются как одна частица большей величины, что приводит к искажению Функции распределения частиц по размерам $2).
Недостатком этого способа калиб- 4О ровки ФЭС является то, что он дает лишь зависимость амплитуды сигнала на выходе фотоприемника от размера частицы Q{d), в то время как необходимо знать и зависимость от размера частицы Ь площади S, перпендикулярного траекториям частиц сечения рабочего объема (площадь сечения S).
Зависимость Q (d) используется при измерениях реальных аэрозолей для определения функции распределения по, размерам, знание же параметра S необходимо для определения концентрации частиц.
При измерениях реальных аэрозолей с помощью ФЭС к выходу Фотоприемника датчика подключают амплитудный анализатор, регистрируют распределение импульсов по амплитудам, которое на основе калибровочной зависимости O(d), пересчитывают в распределение частиц по размерам, а измеренную концентрацию частиц определяют по соотношеwe
И
Sqt (1) где M - общее число импульсов, сосчитанное за вргмя 1 при скорости пропускания частиц о, Площадь сечения Ь определяют расчетным путем как произведение диаметра светового пучка h и размера рабочего объема E в направлении оси светового пучка и считают одинаковой для частиц разных размеров (". Ь=
=const). Величина 2 определяется апертурой фотоприемника, диаметр светового пучка h определяется чаще всего как удвоенное расстояние от оси светового пучка, на котором его интенсивность меньше максимальной в g раз.
Однако при неравномерном световом поле в рабочем объеме площадь сечения зависит от размера частицы из-за наличия порога срабатывания анализатора(1„ . Поскольку интенсивность светового пучка уменьшается от. его оси к периферии, то величина сигнала, Формирующегося при пролете частицы через рабочий объем, зависит от положения точки пересечения траектории частицы с перпендикулярной ей плоскостью сечения рабочего объема, Граница сечения рабочего объема для частицы данного размера определяется линией, на которой формируется сиг" нал, равный порогу срабатывания анализатора 0и . Сигнал для частицы большого размера формируется на большем удалении от оси пучка, чем для частицы меньшего размера, т.е. площадь сечения S тем больше, чем больше размер частицы d.
Величина В всегда точно известна и не зависит от размера частиц вследствие высокой степени равномерности светового поля в направлении оси пучка, поэтому зависимость 3-.(d) определяется профилем интенсивности пучка света в направлении, перпендику" лярном оси пучка, и динамическим диапазоном 0 регистрируемых прибором ° в сигналов
Неучет зависимости площади S от размера частиц d при калибровке по известному способу приводит к погрешin 35476 но
t и)(з к h (5) 3 ности в определении концентрации реальных аэрозолей.
Цель изобретения - повышение точности -определения концентрации час-. тиц аэрозолей.
Поставленная цель достигается тем, что в способе калибровки фотоэлектрических спектрометров аэрозолей, заключающемся в пропускании монодисперсных частиц с известной скоростью 10 через рабочий объем и регистрации импульсов, по которым определяют зависимость параметров фотоэлектрических спектрометров аэрозолей от размеров частиц, дпя частиц каждого раз- 5 мера определяют число импульсов, появившихся на выходе фотоприемника эа фиксированный интервал времени, уве" личивают концентрацию частиц и вновь измеряют число импульсов, повторяя эти операции до тех пор, пока оно не начнет уменьшаться, и Ilo максимальному числу импульсов определяют площадь перпендикулярного траекториям частиц. сечения рабочего объема для каждого размера частиц, а затем считывают концентрацию частиц аэрозолей по известной формуле.
Таким образом, для каждого размера частиц определяют число импульсов М, . появившихся на выходе фотоприемника за фиксированный интервал времени
t; увеличивают концентрацию частиц и вновь измеряют число импульсов М за время t повторяя эти операции до тех пор, пока М не начнет умень35 шаться; по максимальному значению
М „ (d) определяют величину площадй сечения дпя частиц данного размера S (d) по формуле
2(d) —.. — -- —, (2)
2,72 МщакИ) где q - скорость частиц; ,t.- размер рабочего объема в направлении оси осветителя.
Далее рассчитывают концентрзцию частиц аэрозолей по формуле (1).
Способ калибровки основан на том, что из-за случайного (пуассоновского)) распределения частиц в проотра(ястве для всех ФЭС характерно попадание в рабочий объем одновременно двух и более частиц, регистрируемых как одна частица большего размера. Поэто" му число сосчитанных импульсов M: всегда меньше числа прошедших через 55 рабочий объем частиц М и равно
)д= р "" Ф (3) 4
Чем больше й, тем больше вероятность совпадений, вызывающих снижение М. Максимальное значение M равПолученное указанным .способом- значение М ),о (4) для эталонных частиц разной величины позволяет определить эффективный диаметр, светового пуч Ф ка и, следовательно, значения площади перпендикулярно траекториям частиц сечения объема S(d) = Fh(d). Зто дает возможность, используя калибровочную зависимость, получить зависимость S(i) для соответствующих кана.лов анализатора и, тем самым, повысить точность определения концентрации реального аэрозоля с помощью
ФЗС, подставляя в формулу (1) значение
S =,.У:„Г; S(), где f; - доля импульсов, зарегистрированных в 1-том канале анализатора от общего числа зарегистрированных импуль" сов.
На чертеже показаны определяемые при калибровке зависимости lj(d) (сплошная линия) и S(d) (пунктирная) °
Калибровку прибора проводят следующим образом.
Через рабочий объем ФЭС (например, полевого лазерного фотоэлектрического прибора с углом рассеяния
90 о, К=300 мкм и диапазоном измерения 0,05-5 мкм, снабженного 10-ти (канальным анализатором импульсов) последовательно пропускают монодисперсные частицы (латексы размером
0,093; 0,126; 0,32; 0,55; 0,72; 0,99;
1,45; 1,68; 3,7 мкл), регистрируя импульсы для каждого размера частиц при данной их концентрации. Например, при калибровке частицами размером 0,32 мкм установлено, что мак" симальное-количество соответствующих им импульсов появляется в 4-ом канале, имеет амплитуду Qg =118 мВ, а полное число их, сосчитанных во. всех каналах за время t=0,5 с при скорости протяжки q=300 см/с по иере увеличения концентрации сначала уве" личивалось,а затем стало уменьшаться, так что Мя„, =13650, т.е. согласно
1035476 . в
ups . яВ па
ВНИИПИ Заказ 5818/43 Тираж 873 Подписное е е е филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
5, (5) h=40 мкм, à Sh t1, 2 10 " см
Так постепенно получают точки, по которым Чтроят калибровочные графики О(6) и S(d) т.е. получают не одну, как в прототипе, а две калибровочные зависимости, позволяющие определять как распределение по размерам, так и концентрацию аэрозоля.
На чертеже прямая, параллельная оси абсцисс, указывает значение площади,. которое ранее использовалось при определении концентрации для любых распределений частиц по размерам (5* 1 10 "" cM const) по формуле (1).
8идно, что значение площади завышено для частиц менее 0,18 мкм и заниже-
- но для больших частиц, так как в дей" . ствительности S(d) изменяется от 0 при d 0,05 мкм до 1,94 10 + см при
0=5 мкм.
Таким образом, при известном спо-j собе калибровки ФЭС ошибка иэ"за неучета зависимости площади сечения ,от размера приводит к погрешности определения концентрации реального аэрозоля около +1003 для частиц с
d 5 мкм и около -1003 для частиц с
Ж0,06 мкм.
Погрешность определения концентрации при калибровке ФЭС предлагаемым способом не превышает + 53, так
® как в основном она зависит от погреш- ности определения скорости q.
Таким образом, предлагаемый способ калибровки позволяет определять эави15 симость площади сечения рабочего объема от размера частицы, используя недостаток ФЭС - занижение измеряемой концентрации из-за одновременного попадания нескольких частиц в рабочий объем. При измерении реальных аэрозолей калибровочная зависимость S(d) существенно снижает погрешности определения концентрации,
