ES2620961B1 - Sensor analizador integral de movilidad de nanoparticulas suspendidas en un gas y sistema para analizar nanopartículas que lo comprende - Google Patents

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Jesus Javier RODRIGUEZ MAROTO
Enrique ROJAS GARCIA
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Abstract

Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas y sistema para analizar nanopartículas que lo comprende y que permite proporcionar en tiempo real y de modo continuo la concentración de partículas de diámetro equivalente de movilidad inferior a un cierto valor (diámetro de corte), pudiendo ser dicho diámetro de corte seleccionado por el usuario, haciéndolo versátil para su aplicación en una amplia variedad de procesos industriales y medioambientales. Incluye un cabezal de entrada (C1) con un conducto de entrada de aerosol (T3) y un conducto de entrada de aire limpio (T1) y de una pluralidad serie de rejillas laminarizadoras (R1, R2). También incluye un condensador eléctrico (22) con dos electrodos (E1, E2) y un electrómetro (30).

Description

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SENSOR ANALIZADOR INTEGRAL DE MOVILIDAD DE NANOPARTICULAS SUSPENDIDAS EN UN GAS Y SISTEMA PARA ANALIZAR NANOPARTÍCULAS
QUE LO COMPRENDE
DESCRIPCIÓN
Campo técnico de la invención
La presente invención está relacionada con los dispositivos para estudio y caracterización de las emisiones de partículas atmosféricas generadas en distintos sectores (eléctrico, refino, transporte, etc.). En particular se refiere a un sensor y sistema que está basado en un condensador para analizar la movilidad eléctrica de nanopartículas.
Antecedentes de la invención
De las emisiones industriales de partículas a la atmósfera, es particularmente importante el control de las nanopartículas porque son éstas las que recorren mayores distancias en la atmósfera, son ellas sobre las que condensan en mayor proporción los compuestos tóxicos presentes en las emisiones gaseosas, y son, además, las que penetran y se depositan con mayor facilidad en los pulmones.
La instrumentación existente en la actualidad para la detección y medición de aerosoles nanoparticulados se reduce básicamente a los llamados Analizadores Diferenciales de Movilidad (DMA), en los que las partículas, a las que previamente se les ha impartido una distribución de carga eléctrica conocida, son clasificadas según su movilidad eléctrica mediante la aplicación de un campo eléctrico. La concentración de las partículas así clasificadas es medida mediante un contador de partículas o un electrómetro. Aplicando sucesivos valores del campo eléctrico se obtiene la distribución de movilidad eléctrica del aerosol, a partir de la cual (y en combinación con la distribución de cargas, conocida) puede deducirse la distribución de tamaños de partícula. El primer instrumento comercial de este tipo se remonta a la década de los 70 del siglo pasado, y puede considerarse como el prototipo de los así llamados DMA monocanales (single-channel DMA). Otro tipo de aparato, basado en los mismos principios físicos, es el llamado DMA multicanal, desarrollado por las mismas fechas en la Universidad de Tartu.
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Posteriormente, especialmente a partir de 1990, fueron apareciendo nuevos DMAs, basados en el mismo principio físico pero ofreciendo mejores prestaciones para la medición de partículas cada vez más pequeñas, incluso iones. Sin embargo, todos estos equipos son bastante caros y delicados, y su manejo presupone un mínimo conocimiento científico-técnico, por lo que no resultan adecuados para su utilización por operarios no cualificados en mediciones en línea en procesos industriales.
Los DMAs convencionales se emplean para generar una corriente continua de aerosol monodisperso, y especialmente para medir la distribución de tamaños de partícula. Para que un DMA convencional pueda medir en línea y de forma continua la concentración de partículas requiere necesariamente realizar la medición de la distribución completa de tamaños y, después, efectuar la integración numérica de la curva así obtenida. Lo que significa que, si se emplea un DMA convencional, precisa un determinado tiempo, 30 s en el mejor de los casos, para determinar la concentración de partículas con tamaño inferior a uno dado, lo cual puede hacer inviable su empleo en el control en línea de los procesos de aerosoles.
Breve descripción de la invención
A la vista de las limitaciones existentes en el estado de la técnica, sería ventajoso disponer de un sensor y un sistema para analizar nanopartículas más fácil de fabricar y de manejar y más económico que los existentes. Sería deseable que pueda ser utilizado por operarios no cualificados en el control automático en línea de procesos de partículas y que permita medir en línea y de forma continua la concentración de partículas de tamaño inferior a uno prefijado.
A tal efecto, se propone un sensor analizador integral de movilidad (en contraposición a diferencial) que opera a voltaje fijo (esto es, campo eléctrico constante) en combinación con un electrómetro, capaz de medir la concentración de las partículas con movilidad eléctrica superior a un valor prefijado. Dado que hay una correspondencia entre movilidad eléctrica y tamaño, se pueden detectar partículas con diámetro inferior a uno dado, denominado diámetro de corte. El diámetro de corte es función del voltaje fijo aplicado al analizador integral, de forma que puede elegirse libremente atendiendo a las necesidades de la aplicación específica en consideración.
El término "integral” se refiere a que con una sola medición es posible determinar la concentración total de partículas de tamaño inferior a uno dado (para obtener dicha
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concentración empleando un DMA diferencial sería necesario integrar la curva de distribución entre los valores deseados de tamaño de partícula).
La presente invención puede también emplearse como una alternativa a los DMAs conocidos para la medición de la distribución de tamaños de partícula. Para ello se emplean sucesivos valores del campo eléctrico aplicado entre los electrodos del sensor y se mide, mediante un contador de partículas o un electrómetro de aerosoles, la concentración de las partículas que salen del mismo sin haber sido depositadas en el electrodo exterior del sensor. De la curva así obtenida se obtiene directamente, por diferenciación, la distribución de movilidades del aerosol y, de aquí, la distribución de diámetros de partícula puesto que la distribución de cargas eléctricas en el aerosol es conocida.
Preferiblemente, el sistema de nanopartículas incorpora como sensor un analizador integral de movilidad eléctrica con un cabezal de entrada provisto de dos tubos o conductos, generalmente metálicos, para la alimentación del aerosol a medir y de una corriente de aire de arrastre "sheath” seco y exento de partículas, y de una serie de rejillas laminarizadoras del flujo de aire seco y limpio. El analizador integral cuenta con un condensador cilíndrico-concéntrico con dos electrodos, uno interior conectable a una fuente de alto voltaje de corriente continua y otro exterior conectable a un electrómetro. Un cabezal de salida provisto de un tubo metálico sirve para extraer las dos corrientes del cabezal de entrada, que llevan suspendidas todas las partículas que no se depositan electrostáticamente sobre el electrodo exterior (e.g. con diámetro superior al de corte). Incorpora también un cargador eléctrico, basado en una descarga de corona, para impartir una distribución conocida de cargas eléctricas sobre las partículas del aerosol antes de que pasen a la cámara del sensor. Incorpora también una fuente de alto voltaje de corriente continua para aplicar la diferencia de potencial deseada entre los electrodos del condensador eléctrico que forman parte de la cámara del sensor. Incluye el sensor asimismo un electrómetro con capacidad para medir corrientes eléctricas (preferiblemente entre 1 y 8x104 fA) conectado con el electrodo exterior del condensador para medir la concentración de partículas de tamaño inferior al de corte que se depositan sobre dicho electrodo exterior.
El analizador integral puede incorporar un apantallamiento electromagnético para minimizar errores en la medición de la corriente eléctrica inducida por las cargas de las partículas depositadas sobre el electrodo exterior del condensador.
Ventajosamente, los elementos componentes del sensor pueden se alojarse de forma compacta en el interior de una caja metálica, totalmente amortiguado por elementos antivibratorios (por ejemplo con dimensiones 100 x 300 x 400 mm), fácilmente transportable (con poco peso) tanto en mediciones industriales como en medidas de 5 campo itinerantes.
En suma, el sensor analizador integral de movilidad para nanopartículas suspendidas en un gas permite proporcionar en tiempo real y de modo continuo la concentración de partículas de diámetro equivalente de movilidad inferior a un cierto valor de diámetro de corte. Este diámetro de corte puede ser seleccionado por el usuario.
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Breve descripción de las figuras
FIG. 1. Esquema general del sensor de nanopartículas.
FIG. 2. Esquema de los flujos en el analizador integral de movilidad. FIG. 3. Cargador eléctrico por descarga de corona.
FIG. 4. Esquema del condensador del analizador integral de movilidad. FIG. 5. Electrómetro para la medida de corrientes muy bajas (fA).
Descripción detallada de la invención
Con referencia a las figuras anteriores, se expone un ejemplo de realización para un 20 mejor entendimiento de la presente invención.
La FIG. 1 muestra un esquema general de los elementos principales de un ejemplo de sistema para analizar nanopartículas según la presente invención. El sistema incluye un cargador eléctrico 50 para impartir una distribución específica de cargas al aerosol; un sensor analizador integral de movilidad 20 que incluye un módulo condensador 22 25 con dos electrodos cilíndrico-concéntricos E1, E2 entre los que se aplica una determinada diferencia de potencial; y un electrómetro 30 con nivel de ruido del orden
de fA para medir de forma continua la concentración de las partículas que se depositan en el electrodo exterior E2.
Los elementos del sistema son básicamente, un cargador eléctrico 50, el sensor analizador integral 20, el electrómetro 30 y todo ello apantallado, amortiguado y 5 gestionado por una unidad de procesamiento 40 como se muestra en la FIG. 1. El núcleo de la realización es el sensor 20 que es un analizador integral de movilidad eléctrica. En las FIGs. 2 y 4 se muestran dos funciones del mismo como condensador eléctrico y como distribuidor de flujo de partículas, donde se aprecian las partes del condensador y las direcciones de los caudales.
10 En la FIG. 2 se muestran los flujos existentes en el sensor analizador integral de movilidad 20 donde Qa es el caudal volumétrico del aerosol, Qsh es el caudal volumétrico de aire limpio (sin partículas) y seco, y además se ilustran los dos electrodos exterior E1 e interior E2 del condensador. Al aplicar una diferencia de voltaje V entre los electrodos, todas las partículas con movilidad eléctrica superior a Z 15 se depositan en el electrodo exterior E1, donde
z _iQa + Qsh)ln(R2/Ri)
2 nLV
siendo R1 y R2 los radios de los electrodos, y L la longitud del electrodo exterior E1.
Existe una relación sencilla entre la movilidad y el diámetro de partícula (la así llamada ecuación de Stokes-Einstein), por lo que se puede también afirmar que al aplicar un voltaje V todas las partículas con diámetro inferior al correspondiente a la movilidad Z 20 (diámetro de corte) son depositadas sobre el electrodo exterior E1.
La concentración de partículas de tamaño inferior al de corte puede inferirse de la intensidad de corriente producida por las partículas depositadas en el electrodo exterior E1, para lo cual es necesario usar un electrómetro capaz de medir corrientes entre aproximadamente 1 fA y 8 pA.
25 Para medir la distribución de tamaños de partícula del aerosol alimentado, puede acoplarse a la salida del sensor analizador integral de movilidad 20 un contador de partículas para medir la concentración de las partículas que no son depositadas sobre el electrodo exterior E1 (éstas son las partículas que salen por la corriente cuyo caudal es Qa+Qsh, como se muestra en la FIG. 2).
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En la FIG. 3 se ilustra un ejemplo de cargador eléctrico 50 cuya función es la de aplicar una distribución de carga conocida a las nanopartículas que van a circular por la cavidad formada en el interior del sensor analizador de integral movilidad 20. La descarga de corona provoca la ionización de las moléculas del gas (generalmente aire) en el que están suspendidas las partículas; una fracción de los iones así formados difunden hacia la superficie de las partículas que, en consecuencia, adquieren carga eléctrica. En la presente realización este cargador 50 es preferentemente un desarrollo ya realizado y disponible para su acoplamiento al sensor, descrito en la solicitud española P 200200852 (titulada “Dispositivo para el cargado eléctrico de nanopartículas suspendidas en una corriente gaseosa”).
En la FIG. 4 se ilustran el resto de elementos del sensor analizador de movilidad 20, en particular:
• Cabezales cilíndricos C1 y C2 de material no reactivo tipo acero inoxidable.
• El tubo T3 metálico de material no reactivo por donde se introduce el aerosol, y de longitud calculada para que salga un tanto por ciento del cabezal C1. El diámetro de dicho tubo es mayor que el de los tubos T1 y T2.
• Los tubos T1 para la entrada de aire limpio y T2 para la salida de la corriente conjunta resultante de la combinación de las dos corrientes alimentadas al cabezal C1. Estos dos tubos son de material no reactivo tipo acero inoxidable y de igual longitud y diámetro.
• Electrodo exterior E1, preferiblemente un cilindro de material no reactivo, tipo acero inoxidable, de longitud y diámetro calculados para que se depositen sobre él las partículas de tamaño inferior al de corte.
• Electrodo interior E2, preferiblemente una barra cilíndrica de material no reactivo, tipo acero inoxidable, conectado a una fuente de corriente continua de alto voltaje. El centrado de este electrodo es fundamental; la holgura entre E2 y la pared interior de T3 debe ser muy pequeño, lo más preciso posible.
• Uniones U1 y U2 de material dieléctrico con buenas propiedades como aislante eléctrico.
• Una serie de rejillas R1 y R2 con una luz de malla adecuada para la laminarización del flujo de aire limpio y seco, de material no reactivo preferiblemente acero inoxidable.
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• Un apantallamiento P1 principalmente diseñado para campos electromagnéticos alternantes y campos magnéticos estáticos.
En la FIG. 5 se ilustra un ejemplo electrómetro 30, que está conectado con el electrodo exterior E1 del sensor analizador integral de movilidad 20. El acoplamiento se realiza mediante conectores coaxiales tipo PL (macho-hembra) los cuales garantizan máxima estabilidad mecánica y excelente conductividad eléctrica además de un buen apantallamiento eléctrico con fugas de corriente muy bajas y aislando perfectamente la conexión entre el electrodo E1 con el electrómetro 30 y el apantallamiento P1 a través un material aislante (por ejemplo, nylon, Ertalyte®, delrin o preferiblemente teflón) con buenas propiedades como aislante eléctrico. Este electrómetro 30 es un instrumento con capacidad para la medición de corrientes eléctricas en el intervalo entre 1 fA y 8 pA.
El conjunto descrito, cargador 50 más sensor analizador integral de movilidad 20 más electrómetro 30, estos dos últimos apantallados de forma individual, se integra de forma compacta en una caja metálica. De esta forma, se consigue un equipo de dimensiones relativamente reducidas, de transporte fácil e instalación inmediata. Además, esta caja metálica sirve como un primer apantallamiento P2 del equipo. Un segundo apantallamiento P1, preferiblemente de aluminio, es el que corresponde al conjunto sensor analizador integral de movilidad 20 y P3 al electrómetro 30 para evitar interferencias electromagnéticas y señales y corrientes inducidas.
Como se ilustra en la FIG. 1, el dispositivo está también provisto de una unidad de procesamiento 40 con módulos HW y SW encargados de gestionar todos los elementos del sistema incluyendo el sensor analizador integral de movilidad 20. Los módulos incluyen una electrónica desarrollada para el control del sensor analizador integral de movilidad 20 y los distintos elementos, la adquisición y tratamiento de datos, representación gráfica y presentación al usuario. Incluye también una interface de comunicaciones a PC.
El electrómetro 30 es capaz de proporcionar medidas precisas de la corriente eléctrica inducida por las cargas de las partículas que, por aplicación de un campo eléctrico fijo entre los electrodos E1 y E2, han migrado hacia el electrodo exterior E1 y se han depositado sobre él. Del valor medido de la intensidad de corriente se infiere directamente el valor de la concentración de las partículas depositadas, es decir, de aquellas partículas con diámetro inferior al diámetro de corte preestablecido.
El sensor analizador integral de movilidad 20 puede también ser utilizado para la determinación de la distribución de tamaños de partícula de un aerosol polidisperso, para lo cual basta con hacer un barrido del voltaje aplicado en el condensador y diferenciar la curva concentración/voltaje resultante.
5 El electrómetro 30 es un instrumento compacto que ha sido especialmente diseñado para la medición de corrientes ultra-bajas (fA) en sistemas conectados a alta tensión (kV). El electrómetro incorpora un preamplificador (FIG. 5) que captura las corrientes eléctrica ultra bajas que corresponden a las cargas que llevan las partículas en el aerosol depositado y la amplifica a niveles más altos. Su exclusivo diseño está 10 orientado a maximizar la relación señal / ruido de la señal que mide. Sus características más destacadas son:
• Transimpedancia de 5x1011 V/A
• Mediciones de corriente en un rango de 4 décadas con 0.1 fA de resolución.
• Nivel de ruido del orden del fA. RMS de 1,5 fA.
15 • Ancho de banda de al menos 1 Hz de frecuencia que permite la monitorización
en tiempo real.
• Rechazo en modo común de 83 dB.
• Corriente de bias de tan solo +/-2 fA, corriente de polarización del amplificador o mínima corriente absoluta detectable.
20 • Apantallamiento de diferentes elementos electrónicos (componentes, cables)
para evitar, o al menos minimizar, posibles corrientes de fuga que afecten a las mediciones del electrómetro.
• Ajuste de la desviación. Compensación (offset) para ajuste a cero. Ajuste de forma manual mediante potenciómetro o remota a través de fuente de voltaje externa
25 (+/- 5V).
• Alimentación normal con 2 baterías de Li-Po conectadas en serie de 3,7V 1.250 mAh, vida útil de 5000 horas aproximadamente, ruido de salida de +/- 5Vpp con baterías. Posibilidad de alimentación con fuente externa.
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Por último, la conexión entre el electrómetro 30 y el electrodo E1 debe ser de la menor resistencia eléctrica posible. Por ejemplo, conexión de oro, plata o paladio preferiblemente.
La caja en la que están incluidos todos los elementos del sistema, es efectiva como segundo apantallamiento de campos magnéticos alternantes y estáticos, y adicionalmente evita campos electromagnético de radio frecuencia y eléctricos.
Dentro de la caja, el sensor de nanopartículas está anclado a una base metálica a través de unos soportes de material aislante. El acoplamiento del sensor en la caja se realiza a través de unos sistemas para la amortiguación de las vibraciones que le vengan del exterior para evitar un nivel de ruido indeseado en la medida del electrómetro. También evita la alteración mecánica en el sensor.
Aplicaciones
El sensor de nanopartículas basado en un analizador integral de movilidad eléctrica podrá ser utilizado para la medición en línea de la concentración numérica de partículas con tamaño inferior a un valor prefijado ("tamaño de corte") presentes en emisiones gaseosas industriales.
En particular, una aplicación práctica puede ser la utilización del sensor para evaluar en línea el deterioro progresivo de los filtros de partículas empleados en la industria. Si una manga de un filtro se va deteriorando dejará pasar una mayor concentración de partículas de manera progresiva. Una detección precoz de este fenómeno puede ser fundamental para evitar problemas medioambientales u otros problemas técnicos en las plantas industriales. Muchas veces el deterioro de una manga en una industria no se aprecia hasta que no es muy evidente y por tanto se han emitido grandes cantidades de partículas que pueden ser nocivas.
Otra aplicación puede ser la de acoplar el sensor en cualquier planta en la que se usen filtros de partículas, sean de mangas, o electrostáticos o de cualquier otro tipo. La idea esencial es monitorizar de forma continua el nivel de partículas ultrafinas (menores de, digamos, 50 nm) presentes en la corriente de salida del filtro: si el filtro está funcionando correctamente, la respuesta del sensor será, en teoría, una sucesión de valores de concentración de las nanopartículas fluctuando alrededor de un cierto valor medio; si, por la razón que fuere, el filtro deja de funcionar adecuadamente, lo normal
es que esa concentración media se dispare y ello se manifieste en una variación drástica, repentina o paulatina, en la respuesta del sensor.
Como tercera posible aplicación, el sensor podrá también ser utilizado para la determinación de la distribución de tamaños de partícula de un aerosol, para lo cual 5 basta con hacer un barrido del voltaje aplicado en el condensador y diferenciar la curva concentración/voltaje resultante.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas (20) suspendidas en un gas que comprende:
    - un condensador eléctrico (22) que comprende un electrodo exterior (E1) y un electrodo interior (E2);
    - un cabezal de entrada (C1); y
    - un cabezal de salida (C2);
    caracterizado por que los cabezales (C1,C2) y el electrodo exterior (E1) están dispuestos formando internamente una cavidad; con el cabezal de entrada (C1) comprendiendo un conducto de entrada de aire limpio (T1) para introducir en la cavidad un flujo de aire seco exento de partículas (Qsh), un conducto de entrada de aerosol (T3) para introducir en la cavidad un flujo de aerosol (Qa), siendo dicho conducto de entrada de aerosol (T3) eléctricamente conductor; con el cabezal de salida (C2) comprendiendo un conducto de salida (T2) para extraer un flujo resultante (Qa+Qsh) de partículas suspendidas con tamaño mayor que un umbral definido en función del voltaje aplicado al condensador (22).
  2. 2. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas según la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de rejillas laminarizadoras (R1, R2) dispuestas en la cavidad para laminar el flujo procedente del conducto de entrada de aerosol (T3).
  3. 3. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas según la reivindicación 1 o 2, donde las partículas de tamaño menor que un umbral son depositadas electrostáticamente en el electrodo exterior (E1). 4
  4. 4. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el condensador (22) es de geometría cilíndrica y concéntrica.
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  5. 5. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un primer apantallamiento (P1) para el aislamiento eléctrico con el exterior del sensor.
  6. 6. Sensor analizador integral de movilidad de nanopartículas suspendidas en un gas según la reivindicación 4, con dimensiones 400 x 70 x 70 mm y peso de 4,5 kg.
  7. 7. Sistema para analizar nanopartículas que comprende:
    - un sensor analizador integral de movilidad (20) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6;
    - un cargador eléctrico (50) acoplado con el sensor (20), dicho cargador (50) está basado en una descarga de corona, para impartir una distribución conocida de cargas eléctricas sobre las partículas del aerosol antes de ser alimentadas al cuerpo principal del sensor;
    - una fuente de alto voltaje de corriente continua empleada para aplicar la diferencia de potencial deseada, según el valor preestablecido del diámetro de corte, entre los electrodos (E2, E1) del condensador eléctrico (22) del sensor (20);
    - un electrómetro (30) con capacidad para medir corrientes eléctricas entre 1 y 5x104 fA, conectado con el electrodo exterior (E2) del condensador (22), que se emplea para medir la concentración de partículas de tamaño inferior al de corte que se depositan sobre dicho electrodo exterior, donde el electrómetro (30) comprende su propio apantallamiento (P3) que evita las interferencias en la medida;
    - una unidad de procesamiento (40) configurada para el procesamiento y control de todo el sistema.
  8. 8. Sistema para analizar nanopartículas según la reivindicación 7, caracterizado por que comprende un apantallamiento auxiliar (P2) que alberga el sensor analizador integral de movilidad (20), el electrómetro (30) y la unidad de procesamiento (40). 9
  9. 9. Sistema para analizar nanopartículas según la reivindicación 8, caracterizado por que el apantallamiento auxiliar (P2) es una caja metálica para alojar los componentes de forma compacta.
  10. 10. Sistema para analizar nanopartículas según la reivindicación 9, caracterizado por que comprende medios de amortiguación contra vibraciones.
  11. 11. Sistema para analizar nanopartículas según la reivindicación 10 caracterizado por 5 que tiene unas dimensiones 100 x 300 x 400 mm y un peso inferior a 10 kg.
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