RU2395075C1

RU2395075C1 - Device for measuring concentration of aerosols

Info

Publication number: RU2395075C1
Application number: RU2009126954/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Алексеев (RU); Владимир Анатольевич Алексеев; Виктор Иванович Козаченко (RU); Виктор Иванович Козаченко; Станислав Васильевич Михаленков (RU); Станислав Васильевич Михаленков; Андрей Александрович Трусов (RU); Андрей Александрович Трусов; Евгений Андреевич Трусов (RU); Евгений Андреевич Трусов; Александр Николаевич Шабардин (RU); Александр Николаевич Шабардин
Original assignee: Владимир Анатольевич Алексеев; Виктор Иванович Козаченко; Станислав Васильевич Михаленков; Андрей Александрович Трусов; Евгений Андреевич Трусов; Александр Николаевич Шабардин
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2010-07-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device has a charging chamber, a high-voltage modulator and an induction measuring chamber fitted in series in a gas flue along the aerosol stream. The device also has a second high-voltage modulator with output voltage of opposite polarity to that of the output voltage of the first high-voltage modulator. At the input of the gas flue there an apparatus which swirls the aerosol stream. The charging chamber has diametre which is less than that of the gas flue and is made in form of three electrodes.

EFFECT: more accurate measurement of concentration of highly dispersed fractions of aerosols.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в металлургической, энергетической, химико-технологической и других отраслях промышленности для технологического и санитарно-гигиенического контроля запыленности атмосферного воздуха, газовых смесей и при контроле задымленности, возникающей вследствие пожароопасной ситуации.The invention relates to measuring equipment and can be used in the metallurgical, energy, chemical-technological and other industries for technological and sanitary-hygienic control of atmospheric air dust, gas mixtures and in the control of smoke caused by a fire hazard.

Известно «Устройство для измерения концентрации твердых частиц в газоходах» (Заявка Франции № 2388268, МКИ G01N 1/24. 1978), содержащее отводную трубку, внутри которой расположен зонд, соединенный с прибором, измеряющим концентрацию частиц. В отводной трубке осуществляется движение газового потока с постоянной скоростью.It is known "Device for measuring the concentration of solid particles in the flues" (French Application No. 2388268, MKI G01N 1/24. 1978), containing a bypass tube, inside which is a probe connected to a device that measures the concentration of particles. In the outlet pipe, the gas stream moves at a constant speed.

Недостатком устройства является наличие заряженного аэрозоля на выходе прибора, измеряющего концентрацию частиц.The disadvantage of this device is the presence of a charged aerosol at the output of the device that measures the concentration of particles.

Известно «Устройство для измерения объемной концентрации дисперсной фазы аэрозоля» (Авторское свидетельство СССР № 40912, МКИ G01N 27/62, 1972), содержащее установленные в газоходе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, включающую внутренний, соединенный с высоковольтным модулятором, и наружный электроды, отклоняющие электроды, один из которых подключен к источнику постоянного напряжения, а другой - к шине нулевого потенциала, и индукционную измерительную камеру, подключенную к преобразователю. Устройство позволяет измерять текущую объемную концентрацию дисперсной фазы аэрозоля, включающую высокодисперсную и грубодисперсную фракции аэрозоля.It is known "Device for measuring the volume concentration of the dispersed phase of an aerosol" (USSR Author's Certificate No. 40912, MKI G01N 27/62, 1972), containing a charging chamber installed in the duct in series with the aerosol stream, including an internal chamber connected to a high-voltage modulator and external electrodes, deflecting electrodes, one of which is connected to a constant voltage source, and the other to a bus of zero potential, and an induction measuring chamber connected to the converter. The device allows you to measure the current volumetric concentration of the dispersed phase of the aerosol, including highly dispersed and coarse fractions of the aerosol.

Недостатком известного устройства является невозможность раздельного измерения высокодисперсной и грубодисперсной фракций аэрозоля.A disadvantage of the known device is the inability to separately measure the highly dispersed and coarsely dispersed fractions of the aerosol.

Наиболее близким к изобретению является «Устройство для измерения концентрации аэрозолей» (Авторское свидетельство СССР № 983517, МКИ G01N 15/00, 1982), содержащее установленные в газоходе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, включающую внутренний, соединенный с высоковольтным модулятором, и наружный электроды, отклоняющие электроды, один из которых подключен к источнику постоянного напряжения, а другой - к шине нулевого потенциала, и индукционную измерительную камеру, подключенную к преобразователю. Наружный электрод зарядной камеры выполнен в виде двух секций, разделенных изолятором, два блока усиления, блок деления, блок сравнения, блок вычисления массы аэрозолей и задатчик отношения коронных токов, подключенный к первому входу блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока деления, соединенного через блоки усиления с секциями наружного электрода зарядной камеры. Выход блока сравнения подключен к входу высоковольтного модулятора и к первому входу блока вычисления массы аэрозолей, второй вход которого подключен к выходу преобразователя. Устройство позволяет измерять текущую и суммарную объемную концентрацию дисперсной фазы потока аэрозоля при непрерывном измерении скорости потока путем определения перераспределения коронного тока между секциями наружного электрода зарядной камеры.Closest to the invention is a "Device for measuring the concentration of aerosols" (USSR Author's Certificate No. 983517, MKI G01N 15/00, 1982) containing a charging chamber installed in the flue in series with the aerosol stream, including an internal chamber connected to a high-voltage modulator and external electrodes deflecting electrodes, one of which is connected to a constant voltage source, and the other to a zero potential bus, and an induction measuring chamber connected to the converter. The external electrode of the charging chamber is made in the form of two sections separated by an insulator, two amplification units, a division unit, a comparison unit, an aerosol mass calculation unit and a corona current ratio adjuster connected to the first input of the comparison unit, the second input of which is connected to the output of the division unit connected through amplification units with sections of the external electrode of the charging chamber. The output of the comparison unit is connected to the input of the high-voltage modulator and to the first input of the aerosol mass calculation unit, the second input of which is connected to the output of the converter. The device allows you to measure the current and total volume concentration of the dispersed phase of the aerosol stream during continuous measurement of the flow rate by determining the redistribution of the corona current between sections of the outer electrode of the charging chamber.

Недостатком устройства является одновременная зарядка высокодисперсных и грубодисперсных фракций аэрозолей с последующим их измерением в индукционной измерительной камере, что снижает достоверность и точность измерения при контроле, например, пожароопасной ситуации, когда в результате термодеструкции полимерных материалов выделяется преимущественно высокодисперсная фракция аэрозолей, а грубодисперсный аэрозоль является мешающим при контроле пожароопасной ситуации фактором.The disadvantage of this device is the simultaneous charging of highly dispersed and coarse-dispersed fractions of aerosols with their subsequent measurement in an induction measuring chamber, which reduces the reliability and accuracy of measurements during monitoring, for example, in a fire hazard situation, when a highly dispersed fraction of aerosols is released as a result of thermal decomposition of polymeric materials, and a coarse-dispersed aerosol is an interfering when controlling a fire hazard situation.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является создание устройства, которое позволило бы измерять концентрацию высокодисперсной фракции аэрозолей за счет аэродинамической отсечки грубодисперсной фракции аэрозолей и зарядке в зарядной камере только высокодисперсной фракции аэрозолей.The problem to which this invention is directed is the creation of a device that would allow to measure the concentration of the finely divided aerosol fraction due to aerodynamic shutoff of the coarse aerosol fraction and charging only the finely divided aerosol fraction in the charging chamber.

Технический результат заключается в повышении точности и достоверности измерения концентрации высокодисперсных фракций аэрозолей.The technical result consists in increasing the accuracy and reliability of measuring the concentration of highly dispersed fractions of aerosols.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее установленные в газоходе последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру, высоковольтный модулятор и индукционную измерительную камеру, подключенную к преобразователю, дополнительно введены второй высоковольтный модулятор, имеющий знак выходного напряжения обратный знаку выходного напряжения первого высоковольтного модулятора, на входе газохода установлен аппарат, закручивающий поток аэрозоля, а зарядная камера имеет диаметр, меньший диаметра газохода, и выполнена в виде трех электродов, первый высоковольтный электрод и второй высоковольтный электрод расположены последовательно по потоку аэрозоля и соединены с первыми выводами первого и второго высоковольтных модуляторов, вторые выводы которых заземлены, а третий внутренний электрод расположен между первым и вторым высоковольтными электродами и заземлен.The technical result is achieved by the fact that a second high-voltage modulator having the sign of the output voltage opposite the sign of the output voltage of the first high-voltage modulator is additionally introduced into the device containing a charging chamber, a high-voltage modulator and an induction measuring chamber connected to the converter installed in the gas duct in series with the aerosol flow; an apparatus is installed at the inlet of the gas duct, which swirls the aerosol flow, and the charging chamber has a diameter smaller than the diameter of the gas duct, and In the form of three electrodes, the first high-voltage electrode and the second high-voltage electrode are arranged in series along the aerosol stream and are connected to the first terminals of the first and second high-voltage modulators, the second terminals of which are grounded, and the third internal electrode is located between the first and second high-voltage electrodes and is grounded.

Первый и второй высоковольтные электроды расположены напротив друг друга по потоку аэрозоля.The first and second high voltage electrodes are located opposite each other along the aerosol flow.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивается введением в устройство новых блоков и их расположением, что позволяет измерять концентрацию высокодисперсной фракции аэрозоля путем разделения фракций частиц аэрозоля, зарядки в зарядной камере высокодисперсной фракции аэрозоля и определением концентрации заряженной фракции аэрозоля с повышенной точностью и достоверностью за счет устранения мешающего фактора, представляющего собой заряженный грубодисперсный аэрозоль.The essential features of the invention are provided by the introduction of new units into the device and their arrangement, which makes it possible to measure the concentration of the finely divided aerosol fraction by separating the fractions of the aerosol particles, charging the finely divided aerosol fraction in the charging chamber and determining the concentration of the charged aerosol fraction with increased accuracy and reliability by eliminating the interfering factor representing a charged coarse aerosol.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявляемого устройства для измерения концентрации аэрозолей, отсутствуют, следовательно, заявленное устройство соответствует условию «новизна».The analysis of the prior art by the applicant found that there are no analogues characterized by sets of features identical to all the features of the claimed device for measuring aerosol concentration, therefore, the claimed device meets the condition of "novelty."

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.Search results for known technical solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototypes showed that they do not follow explicitly from the prior art.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".From the prior art determined by the applicant, the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the specified technical result has not been revealed, therefore, the claimed invention corresponds to the "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 приведены функциональные схемы измерительной линии возможных вариантов исполнения предлагаемого устройства (вар.1 и вар.2); а на фиг.3 - кривая зависимости изменения напряжения V на выходе преобразователя во времени t и соответствующая ей кривая изменения высоковольтного напряжения U, подаваемого на первый и второй высоковольтные электроды зарядной камеры и введены следующие обозначения:The invention is illustrated by drawings, where figure 1 and figure 2 shows the functional diagrams of the measuring line of possible variants of the proposed device (var. 1 and var. 2); and figure 3 is a dependence of the change in voltage V at the output of the Converter in time t and the corresponding curve of the change in the high voltage voltage U supplied to the first and second high voltage electrodes of the charging chamber and the following notation is introduced:

1 - газоход;1 - flue;

2 - аппарат, закручивающий поток аэрозоля;2 - apparatus, swirling the flow of aerosol;

3 - зарядная камера;3 - charging chamber;

4 - первый высоковольтный электрод;4 - the first high-voltage electrode;

5 - второй высоковольтный электрод;5 - second high voltage electrode;

6 - внутренний электрод;6 - internal electrode;

7 - индукционная измерительная камера;7 - induction measuring chamber;

8 - преобразователь;8 - converter;

9 - первый высоковольтный модулятор;9 - the first high-voltage modulator;

10 - второй высоковольтный модулятор;10 - second high voltage modulator;

11 - поток грубодисперсного аэрозоля;11 - flow of coarse aerosol;

12 - поток высокодисперсного аэрозоля.12 - stream of fine aerosol.

Устройство для измерения концентрации аэрозолей содержит измерительную линию, включающую подключенный к газоходу 1 аппарат, закручивающий поток аэрозоля 2, и установленные в газоходе 1 последовательно по потоку аэрозоля зарядную камеру 3, имеющую диаметр, меньший диаметра газохода 1, и содержащую наружные первый 4 и второй 5 высоковольтные электроды, расположенные последовательно по потоку аэрозоля и выполненные, например, в виде двух цилиндрических секций (фиг.1) или расположенные напротив друг друга по потоку аэрозоля (фиг.2), и заземленный внутренний электрод 6, выполненный в виде иглы и расположенный между первым и вторым высоковольтными электродами 4 и 5, а также индукционную измерительную камеру 7, подключенную к преобразователю 8. Первый 4 и второй 5 высоковольтные электроды зарядной камеры 3 подключены к первым выводам высоковольтных модуляторов 9 и 10, вторые выводы которых заземлены.A device for measuring the concentration of aerosols contains a measuring line, including an apparatus connected to the gas duct 1, swirling the aerosol stream 2, and a charging chamber 3 installed in the gas duct 1 in series with the aerosol stream, having a diameter smaller than the diameter of the gas duct 1, and containing an external first 4 and second 5 high voltage electrodes arranged in series along the aerosol stream and made, for example, in the form of two cylindrical sections (Fig. 1) or located opposite each other along the aerosol stream (Fig. 2), and are grounded the inner electrode 6, made in the form of a needle and located between the first and second high-voltage electrodes 4 and 5, as well as an induction measuring chamber 7 connected to the transducer 8. The first 4 and second 5 high-voltage electrodes of the charging chamber 3 are connected to the first terminals of the high-voltage modulators 9 and 10, the second terminals of which are grounded.

Аппарат, закручивающий поток аэрозоля 2, может быть выполнен, например, в виде циклона [1].The apparatus, swirling the flow of aerosol 2, can be performed, for example, in the form of a cyclone [1].

В качестве преобразователя 8 может быть использован, например, аналого-цифровой преобразователь [2].As the Converter 8 can be used, for example, an analog-to-digital Converter [2].

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

С первых выводов высоковольтных модуляторов 9 и 10 последовательно, с заданным временным промежутком, подают на первый 4 и второй 5 высоковольтные электроды зарядной камеры 3, относительно заземленного внутреннего электрода 6, разнополярные импульсы высоковольтного напряжения (фиг.3). Между внутренним электродом 6 и наружными первым и вторым высоковольтными электродами 4 и 5 зарядной камеры 3 возникает коронный разряд, ионизирующий межэлектродный промежуток. Из поступающего в газоход 1 потока аэрозоля, в зарядной камере 3 формируются пачки заряженных частиц, которые проходят через индукционную измерительную камеру 7 и наводят на нее сигнал. Далее сигнал подается на преобразователь 8, где преобразуется в вид, удобный для индикации.From the first conclusions of the high-voltage modulators 9 and 10, in series, with the specified time interval, high-voltage electrodes of the charging chamber 3, relative to the grounded internal electrode 6, are fed to the first 4 and second 5 high-voltage impulses of different voltage (Fig. 3). Between the inner electrode 6 and the outer first and second high-voltage electrodes 4 and 5 of the charging chamber 3, a corona discharge occurs, ionizing the interelectrode gap. From the aerosol stream entering the gas duct 1, packs of charged particles are formed in the charging chamber 3, which pass through the induction measuring chamber 7 and induce a signal on it. Next, the signal is fed to the converter 8, where it is converted into a form convenient for indication.

Аэрозоль с потоком воздуха проходит через аппарат, закручивающий поток аэрозоля 2, разделяется на грубодисперсную 11 и высокодисперсную 12 фракции. Грубодисперсная фракция аэрозоля 11 за счет аэродинамических сил закручивающегося потока отклоняется в зону, заключенную между стенками газохода 1 и наружными высоковольтными электродами 4 и 5 зарядной камеры 6, и не одвергается зарядке в коронном разряде зарядной камеры 6. Высокодисперсная фракция аэрозоля 12 проходит с воздушным потоком через промежуток между заземленным внутренним электродом 6 и первым 4 и вторым 5 высоковольтными электродами, заряжается в ионной атмосфере коронного разряда, знак которой изменяется во времени. Изменение знака коронного разряда во времени производится таким образом, чтобы пачки заряженного аэрозоля были заданной длительности и успевали выйти за пределы ионной атмосферы зарядной камеры 3 до момента изменения знака коронного разряда. Длительность и форма пачек заряженного аэрозоля в первую очередь зависит от параметров коронного разряда и задается длительностью и формой импульсов высоковольтного напряжения U (фиг.3), подаваемого на зарядную камеру 3. На длительность пачек также влияет скорость потока высокодисперсного аэрозоля 12 и конструктивные параметры зарядной 3 и индукционной измерительной 7 камер. Пачки заряженного высокодисперсного аэрозоля, подлетая к индукционной измерительной камере 7, наводят на камеру нарастающий заряд определенного знака, а вылетая из нее, - спадающий заряд того же знака. После смены полярности коронного разряда на выходе зарядной камеры 3 образуются пачки заряженного аэрозоля противоположного знака. Подлетая к индукционной измерительной камере 7, они наводят на нее нарастающий заряд противоположного знака, а вылетая из нее, - спадающий заряд того же знака. В результате в индукционной измерительной камере 7 формируется наведенный заряд от высокодисперсного аэрозоля 12, создающий на входе преобразователя 8 сигнал V (фиг.3), близкий по форме к синусоидальному сигналу, а наведенный заряд от грубодисперсного аэрозоля 11 - отсутствует. Отсутствие влияния грубодисперсной фазы аэрозолей на результат измерения концентрации высокодисперсной фазы аэрозолей позволяет повысить точность и достоверность результатов измерения устройства.Aerosol with a stream of air passes through the apparatus, swirling the flow of aerosol 2, is divided into coarsely dispersed 11 and highly dispersed 12 fractions. The coarse fraction of the aerosol 11 due to the aerodynamic forces of the swirling flow deviates into the zone enclosed between the walls of the duct 1 and the external high-voltage electrodes 4 and 5 of the charging chamber 6, and is not denied charging in the corona discharge of the charging chamber 6. The finely dispersed fraction of the aerosol 12 passes through the air stream through the air stream the gap between the grounded internal electrode 6 and the first 4 and second 5 high-voltage electrodes is charged in the ionic atmosphere of the corona discharge, the sign of which changes in time. A change in the sign of the corona discharge in time is performed in such a way that the packs of charged aerosol are of a given duration and have time to go beyond the ionic atmosphere of the charging chamber 3 until the sign of the corona discharge changes. The duration and shape of the packs of charged aerosol primarily depends on the parameters of the corona discharge and is determined by the duration and shape of the pulses of the high voltage voltage U (Fig. 3) supplied to the charging chamber 3. The duration of the packs is also affected by the flow rate of the fine aerosol 12 and the design parameters of the charging 3 and induction measuring 7 chambers. Packs of charged highly dispersed aerosol, flying up to the induction measuring chamber 7, induce an increasing charge of a certain sign on the camera, and flying out of it, a decreasing charge of the same sign. After changing the polarity of the corona discharge at the output of the charging chamber 3, packs of charged aerosol of the opposite sign are formed. Approaching the induction measuring chamber 7, they induce an increasing charge of the opposite sign on it, and flying out of it, the decreasing charge of the same sign. As a result, an induced charge from a highly dispersed aerosol 12 is generated in the induction measuring chamber 7, which generates a V signal at the input of the transducer 8 (Fig. 3), which is close in shape to a sinusoidal signal, and the induced charge from a coarse aerosol 11 is absent. The absence of the effect of the coarsely dispersed phase of aerosols on the result of measuring the concentration of the finely dispersed phase of aerosols can improve the accuracy and reliability of the measurement results of the device.

Предлагаемое изобретение позволяет достичь дополнительного технического результата, заключающегося в обнаружении возгорания на ранней стадии образования задымления.The present invention allows to achieve an additional technical result, which consists in the detection of fire at an early stage of smoke formation.

Приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного устройства выполняются следующие условия:The above information proves that when implementing the claimed device, the following conditions are met:

- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области измерительной техники и может быть использовано в металлургической, энергетической, химико-технологической отраслях промышленности, в частности для измерения концентрации высокодисперсных аэрозолей при контроле пожароопасной ситуации;- the tool embodying the proposed device in its implementation, is intended for use in the field of measurement technology and can be used in the metallurgical, energy, chemical and technological industries, in particular for measuring the concentration of highly dispersed aerosols in controlling a fire hazard situation;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;- for the claimed device in the form as described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means described before the filing date of the application has been confirmed;

- средство, воплощающее устройство при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.- the tool embodying the device in its implementation, is able to provide the specified technical result.

Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».Therefore, the claimed device meets the condition of patentability "industrial applicability".

Источники информацииInformation sources

1. Страус В. Промышленная очистка газов. - М.: Химия, 1981.1. Ostrich V. Industrial gas cleaning. - M.: Chemistry, 1981.

2. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.2. Aleksenko A.G., Colombet E.A., Starodub G.I. The use of precision analog microcircuits. - M .: Radio and communications, 1985.

Claims

1. A device for measuring the concentration of an aerosol containing a charging chamber, a high-voltage modulator and an induction measuring chamber connected to a transducer installed in the gas duct in series with the aerosol, characterized in that the device further comprises a second high-voltage modulator having the sign of the output voltage opposite the sign of the output voltage the first high-voltage modulator, an apparatus is installed at the inlet of the gas duct, which swirls the flow of aerosol, and the charging chamber has a diameter of less than th diameter of the gas duct, and is made in the form of three electrodes, the first high-voltage electrode and the second high-voltage electrode arranged in series with the aerosol stream and connected to the first terminals of the first and second high-voltage modulators, the second terminals of which are grounded, and the third internal electrode is located between the first and second high-voltage electrodes and grounded.

2. The device for measuring the concentration of aerosol according to claim 1, characterized in that the first and second high-voltage electrodes are located opposite each other along the aerosol stream.