Способ определения концентрацииаэрозольных частиц

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) Заявлено 841178 (21) 2682161/18-25 (1)М. К 1.

G 01 N 15/00 с присоедийеммем заявки Н9

Государственный комитет

СССР яо ямам изобретений и открытий. (23) Приоритет

Опубликовано 23Л281. бюллетень N9 7 (53) УДК 543. 275.

° 3(088.8) Дата опубликования описания 2 322В1 (72) Авт мзобр (71) Зая

f54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

АЭРОЗОЛЬНЬ1Х ЧАСТИЦ

Изобретение относится к технике исследования различных свойств материалов, в частности к определению концентрации аэроэольных частиц и может использоваться при исследованиях как естественных аэрозолей (например в метеорологии), так и искусственных в химическои или медицинской технологии, а также при санитарном контроле запыленности на различных производствах.

Известно устройство для определения запыленности, принцип действия которого основан на улавливании частиц фйльтром с последующим анализом осадка (1).

Однако измерения с помощью таких устройств трудоемки, длительны и не точны;

Известно также устройство для не- 20 прерывного измерения запыленности газов, работающее по принципу зарядки частиц пыли в голе коронного разряда (2).

Основным недостатком известного устройства является невысокая чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности является способ, по. которому пропускают исследуемый аэрозоль с за- ЗО данной скоростью, через счетный объем, образованный пересечением пучка электромагнитногс излучения с полем зрения приемной системы, и, региГ стрируют импульсы рассеянного частицами излучения. Концентрацию определяют по интенсивности поступления импульсов и по расходу аэрозоля через счетный объем. Причем расход аэрозоля находят как произведение скорости движения аэрозоля на площадь сечения счетного объема, перпендикулярную потоку частиц (3).

Чтобы избежать-слишком большого числа нежелательных многократных совпадений (когда в счетном объеме регистрируются одновременно более одной аэрозольной частицы) стремятся получить счетный объем как можно меньших размеров, например, в сотые доли милиметра. A при таких размерах из..ерение площади сечения счетного объема превраща тся в сложную задачу, которая требует для своего решения использования либо специальной калибровочной аппаратуры (в частности генераторов аэрозоля известной концентрацич), либо устройств для сканирования счетног объема миниатюрными рассеивающими тест-объектами. Но и в

807143!

ЗΠ— 1Г (1- ф ) N

s ° u

55 этом случае размеры счетного объема получают со значительной погрешностью, которая отражается на точности определения концентрации:

Цель изобретения — упрощение, повышение точности и быстроты измерений.

Поставленная цель достигается тем, что 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 где n — концентрация аэрозольных частиц; 20

u — линейная скорость пропускания аэрозоля;

W q.Wх- частота появления интервала заданной длительности до и после разбавления со- 25 ответственно;

Т; — известная длительность интервала, К вЂ” степень разбавления.

Точность и оперативность при одновременном упрощении работы повышаются ввиду того, что операция разбавления намного проще, чем измерение размеров счетного объема (при его малых 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. 40 откалибровать прибор по постоянной времени регистрации.

В основе предлагаемого способа лежит найденная связь между параметрами вероятностных распределений дли- 45 тельностей импульсов и интервалов между ними и истинными значениями счетной кбнцентрации частиц и размерами счетного объема.

Величина концентрации аэрозольных частиц и можно получить из известной з ависимости 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- 60 жения частиц - V

Величина счетного объема V может быть найдена по времени прохождения частицы через счетный объем, т.е. по длительности импульса с выхода фото- 45 приемника Т и по расходу аэрозоля через счетный объем - 5 V

\/ = 5 ° U С (2) известно, что распределение расстояний между соседними частицами в пространстве описывается з ависимостью где W (x) - вероятность наблюдения интервала длиной х, n — счетная концентрация частиц.

Из формулы (3) 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 сложной технической задачей.

На практике (например, при использовании фотографических регистрато- ров) 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 Я (х)/

Ик(х), где И.(x) и Ик(х) — распределения по интервалам х, соответственно, до и после разбавления дисперсных частиц объемом чистого воздуха в К раз. Тогда в качестве параметра х могут выступать длины проекций частиц на какую-либо плоскость. По аналогии с (1) выра:жение для функции вероятности после разбавления Ик(х) можно представить в виде х „(Х)= g)(-"„х е.+>3Qх, (4) Из (3) и (4) получаем искомое соотношение, связывающее концентрацию с отношением вероятностей появления интервалов до и после разбавления

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 Тj между появлением им807143

Xi V Т1 ) (63 (л(4 N с) (g) Ъ)Г4 Tjи к

С помощью этой формулы по изме- ренным значениям частоты наблюдения интервалов времени длительностью Т между поступлением в рабочий объем частиц при заданном разбавлении К и скорости аспирации 0 нетрудно определить счетную концентрацию частиц в неразбавленном аэрозоле.

То, что мы определили счетнуЮ концентрацию 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 сведения о величине счет:oro объема V.

24 (4 Н2 C) (g)

N . ) 2N2 — N" т;- — -, ))е)

N3. (1аа) где

Для более простого случая двукрат.— ного разбавления иэ соотношений (13, .(2) и (10) пблучаем формулу для определения .величины рабочего объема

= Х Ь (1-Ь (ам%-ФФФ}3, (11)

= pl Й1 2

Для нахождения V достаточнэ найти из (7) величину счетной коицентра45 ции и измерить значения интенсивности поступления импульсов до и после разбавления аэрозоля. Поскольку при ! определении концентрации частиц производятся измерения частоты появления интервалов времени Т, целесообразно вместо интенсивностей N,,М оп% Ф ределять среднйе значения интервалов

Т и Т (до и после разбавления).

В этом случае соотнсааение (11}

55 принимает простой и удобный для вычйсления вид ч -„си(- -, 7"-т"},(lZ)

40 пульсов к линейным расстояниям Х осуществляется по формуле где U - известная скорость прососа частиц через счетный объем.

Формула для определения счетной концентрацИи дисперсных частиц с учетом (б) приобретает вид

Использование формулы (23 для определения значения V требует дополнительного измерения длительности импульсов от частиц. Однако)при неболь.ших счетных объемах длительность импульсов оказывается зависящей не только от их размеров и скорости движения аэрозоля, но и от размера частиц.

Практика показывает, что при измерении, например, капель облаков и туманов, последняя зависимость приводит к погрешностям измерения йТ*104 °

Кроме того, наличие в тракте измерения длительности амплитудного порогового устройства и электроники с ограниченной полосой пропускания приводит к некоторому укороЧению сигналов меньшей амплитуды. В целом, погрешности определения ). могут достигать 25-35%, что и приводит к зависимости размера счетного объема от размера частицы. Далее, при больших концентрациях частиц длительность импульса может искажаться за счет одновременного попадания частиц. в счетный объем. Это также приводит к погрешности или неоднозначности измерения длительности импульса. Путем проведения операций разбавления аэрозоля, измерения распределения интервалов по длительности и проведения соответстэующих расчетов можно устранить вышеперечисленные недостатки и определить величину объема .У не из" меряя длительности

С учетом поправки на многократные совпадения частиц в счетном объеме, соотношение между истинным И и измеренным N значениями .нтенсивности поступления частиц можно представить в виде

Если же разбавить исследуемый объем воздуха (газа, жидкости), содержащего частицы, равным ему объемом чистого воздуха, то соотношение между новыми значениями М и N изменится за счет уменьшения вероятнос-. ти многократных совпадений частиц

Иэ (8) и (9) можно определить время пролета частицы через счетный объем

При К вЂ” кратном раэбавлении формула имеет вид

30 зА — (g+(К+2}h,» — (К-2}(5< — 7?А ") <

Аналогичный расчетный аппарат может использоваться и в, случае, когда концентрация частиц измеряется с помсицью методов, основанных на регистрации изображений, в частности теле807143

f0

40

d0 виэионных 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 счет-. ного объема прибора различны 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 фотоэлектрического приемника, который выдает импульсы, соответствующие пролетающим через счетный объем частицам. Эти импульсы подают на анализатор, который определяет величины интервалов времени между импульсами, и находят частоты появления интервалов н зависимости от их длительности.

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

Разбавленный аэрозоль пропускают через тот же счетный. объем и находят частоты появления интервалов между импульсами от частиц разбавленного аэрозоля.

По найденным в результате измерений значениями частоты гоявления заданных интервалов между импульсами . до и после разбавления,(W 1 и Wx), а также по известной степени разбавле, ния (к) находят концентрацию аэрозольных ча"тиц с помощью расчетной формулы (5). Процедуру выбора неличины интервала Х, соответственно и

Т», для которого определяются вероятности W„ и W»», поясняет чертеж,где изображены зависимости х =: f(W»/W ), при К = 2 .для отдельных значений

Х концентрации частиц 5 10, 10

2 10 см

Если выборки частиц статически недостаточно хорошо обеспечены и-по.грешности измерения частот Ч»и Ч значительны, то значения интервала х целесообразно задавать большими, т.е. на участке кривой W»/W f(x) с малым наклоном. Если невелкка по-, грешность установки (измерения) длины интервала, то целесообразно определять отношение W /W> для одного из малых значений х, либо как среднее значение отношения для ряда малых значений х.

Значительные отличия И»/W2 для различных х могут быть вызвайы тем, что частицы аэрозоля распределены н пространстве HE. по случайному закону, либо тем, что показания прибора по счетной концентрации зависят от размера аэрозоля. Для проверки первого предложения следует сопоставить измеренные и расчитанные по (3) вероятностные распределения интервалов

Т». Если эти распределения значительно отличаются друг от друга, то это означает, что аэрозоль распределен в пространстве не по закону случайных чисел и описанная методика неприменима. Погрешности указанных измерений практически не ухудшают точности определения концентрации частиц. Нет надобности в сложной аппаратуре для прямых измерений размеров счетного объема (либо для генерации аэрозоля известной концентрации).

Все это приводит к упрощению работы и к повышению оперативности и независимости показаний и от раэмерон частиц.

Предлагаемая операция разбавления проще, чем исключенная операция измерений размеров счетного объема и не требует столь чувствительной аппаратуры. A величина степени разбавления (К) манжет быть определена с погрешностью +10ъ, т.е. меньшей, чем погрешность инструментального измерения размеров счетного объема (при малых его размерах)., состоящая более 20-30%..

Формула изобретения

Способ определения концентрации аэроэольных 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 — шийся 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

SO7143

Составитель О. Алексеева

Редактор Н. Лазаренко Техред М. Голинка Корректор Н ° Грнгорук

Заказ 272/65 Тираж 918 Подписное

ВНИИПИ Государственного ко питета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 где A — концентрация аэрозольных частиц, .

V — линейная скорость пропускания аэрозоля;

W<,W<- частота появления интервала заданной длительности до и после разбавления соответственно .

Т - известная длительность интервала,"

К вЂ” степень разбавления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Пылегазоизмернтель Dus te r-2000 фирмы Shimazu Vano Shovo, Shird

hasenirooh! shiпаап Torigazu Cunaosy

Херов Schimadzu Rev.

2. Коузов П.A., Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и . измельченных материалов, Л

1971.

3. Авторское свидетельство СССР © В 197270, кл. G 01 N 15/02, 1965 (.прототип).