SU807143A1 - Способ определени концентрацииАэРОзОльНыХ чАСТиц - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к технике исследовани  различных свойств материалов , в частности к определению концентрации аэрозольных частиц и мо жет использоватьс  при исследовани х как естественных аэрозолей (например в метеорологии), так и искусственных в химической или медицииско11 техноло гии, а также при санитарном контроле запыленности на различных производствах . Известно устройство дл  определени  запыленности, принцип действи  которого основан на улавл чвании частиц фильтром с последующим анализом осадка 1. Однако измерени  с помощью таких устройств, трудоемки, длительны и не точны; . Известно также устройство дл  непрерывного измерени  запыленности газов, работающее по принципу зар дки частиц пыли в поле коронного разр да 2. Основным недостатком известного устройства  вл етс  невысока  чувствительность . Наиболее близким по технической сущности  вл етс  способ, по котором пропускают исследуемый аэрозоль с за данной скоростью .через счетный объем, образованный пересечением пучка электромагнитного излучени  с полем зрени  приемной системы, и регистрируют импульсы рассе нного частицами излучени . Концентрацию определ ют по интенсивности поступлени  импульсов и по расходу аэрозол  ч.ерез счетный объем. Причем расход аэрозол  наход т как произведение скорости движени  аэрозол  на площадь сечени  счетного объема, перпендикул рную потоку частиц З. Чтобы избежать слишком большого числа нежелательных многократных совпадений (когда ч счетном объеме регистрируютс  одновременно более одной аэрозольной частицы) стрем тс  получить счетный объем как можно меньших размеров, например, в сотые доли милиметра. А при размерах измерение площади сечени  счетного об-ъема превращаетс  в сложную задачу котора  требует дл  своего решени  использовани  либо специальной калибровочной аппаратуры (в частности генераторов аэрозол  известной концентрации ) , либо устройств дл  сканировани  счетногс объема миниатюрными рассеивающими тест-объектами. Но и в этом случае размеры счетного объема получают со значительной погрешностью , котора  отражаетс  на точнос ти определени  концентрации. Цель изобретени  - упрсадение, повышение точности и быстроты измерений . Поставленна  цель достигаетс  тем что измер ют интервалы времени между импульсами, определ ют частоту по влени  интервала cf известной длительностью , затем разбавл ют исследуемый аэрозоль чистым воздухом, повтор ют измерени  с разбавленным аэрозолем и наход т .концентрацию частиц по сле дующей зависимости гн() 4Tr.U(l-±jTi 1 - концентраци  аэрозольных частиц; U - линейна  скорость пропуска ни  аэрозол ; W частота по влени  интервала заданной длительности до и после разбавлени  соответственно; Т{- известна  длительностьинтервала; К - степень разбавлени . Точность и оперативность при одновременном упрощении работы повышаютс  ввиду того, что операци  разбав лени  намного проще, чем измерение размеров счетного объема (при его ма лых размерах) и не вносит погрешностей . С помощью данной последовательности операций можно, примен   другую расчетную формулу, одновременно определить величину счетного объема, что важно дл  оценки динамических и других характеристик прибора, т.е. откалибровать прибор по посто нной времени регистрации. В основе предлагаемого способа лежит найденна  св зь между параметрами веро тностных распределений дли тельностей импульсов и интервалов между ними и истинными значени ми . счетной концентрации частиц и размерами счетного объема. Величина концентрации аэрозольных частиц п можно получить из известной зависимости где N - истинна  интенсивность импульсов , т.е. количество импульсов в единицу времени от частиц, пропускаемых через счетный объем, площадь сечени  которого - S, а скорость дви жени  частиц - U . Величина счетного объема V может быть найдена по времени прохождени  частицы через счетный объем, т.е. по длительности импульса с выхода фото- 60 65 приемника t и по расходу аэрозол  через счетный объем - ь-и V 5-и.Г (2) Известно, что распределение рассто ний между соседними частицами в пространстве описываетс  зависимостью w(x)4T. п {3} где W(x) - веро тность наблюдени  интервала длиной х; п - счетна  концентраци  частиц . Из формулы (З) видно,.что определить счетную концентрацию частиц можно , измерив каким-либо образом частоту по влени  интервала длиной х. Однако осуществление пр мых (т.е. непосредственно в пространстве) измерений параметра -W(X)  вл етс  крайне слонсной технической задачей. На практике (например, при использовании фотографических регистраторов ) проще определ ть не сами рассто ни  между частицами, а проекции рассто ний на какую-либо плоскость. Но осуществить переход от проекционного размера к инстинному с малой погрешностью в .этом случае также не удает- . с . Однако переход от проекционного к истинному размеру оказываетс  возможным , если счетную концентрацию св зывать не с веро тност ми W(x), а с.отношением веро тностей )/ WK(X), где W(x) и W(x)- распределени  по интервалам х, соответственно, до и после разбавлени  дисперсных частиц объемом чистого воздуха в К раз. Тогда в качестве параметра X могут выступать длины проекций частиц на какую-либо плоскость . По аналогии с (1) выражение дл  функции веро тности после разбавлени  W(((x) можно представить в виде W,(X)4f -«-iI (4) Из (3) и (4) получаем искомое сотношение , св зывающее концентрацию отношением веро тностей по влени  нтервалов до и после разбавлени  , J,WK(X) к 1 , Если В качестве измерительного прибора используютс  фотоэлектрические счетчики, в которых осуществл етс  измерение оптического сигнала от каждой освещенной частицы в счетном объеме датчика и преобразование его в электрический сигнал, то переход от измер емых прибором интервалов времени Tl между по влением импульсов к линейным рассто ни м X осуществл етс  по формуле

(&}

X U-Ti

и - известна  скорость прососа

где частиц через счетный объем. Формула дл  определени  счетной концентрац ии дисперсных частиц с учетом (6) приобретает вид i KirbK -t-n I ii(TJ Tfl TiHс помощью этой формула по изме- ренным значени м частоты наблюдени  интервалов времени длительностью-Т между поступлением в рабочий объем частиц при заданном разбавлении.К и скорости аспирации U нетрудно опреде лить счетную концентрацию частиц в неразбавленном аэрозоле. То, что мы определили счетную кон центрацию аэрозол  и затем по формуле (1).нашли площадь сечени  счетного объема S (в направлении движени  аэрозол ) не означает, однако, что прибор полностью откалиброван. Дл . суждени  с посто нной времени и других параметрах датчика нужны сведе НИН о величине счетного объема V. Использование формулы (2) дл  определени  значени  V требует дополнительного измерени  длительности им пульсов от частиц. Однако«при неболь ших счетных объемах длительность импульсов оказываетс  завис щей не только от их размеров и скорости дви жени  аэрозол , но и от размера частиц . Практика показывает, что при изме рении, например, капель облаков и ту манов, последн   зависимость приводит к погрешност м измерени  40%. Кроме того, наличие в тракте измерени  длительности амплитудного порого вого устройства и электроники с огра ничейной полосой пропускани  приводит к некоторому укорочению сигналов меньшей амплитуды.. В целом, погрешности определени - t могут достигать 25-35%, что и приводит к зависи мости размера счетного объема от раз мера частицы. Далее, при больших кон центраци х частиц длительность импульса можетискажатьс  за счет одно временного попадани  частиц в счетный объем. Это также приводит к погретиности или неодноз.начности измерени  длительности импульса. Путем про ведени  операций разбавлен-и  аэрозол , измерени  распределени  интервалов по длительности и проведени  соответствующих расчетов можно устранить вышеперечисленные недостатки и определить величину объема .V не измер   длительности С . . .

с учетом поправки на многократныесовпадени  частиц в счетном объеме, соотношение между истинным N и измеренным N значени ми тнтенсивности поступлени  частиц можно представить в виде

) g)

NЕсли же разбавить исследуемый объем воздуха (газа, жидкости), содержащего частицы, равным ему объемом чистого воздуха, то соотношение между новыми значени ми N и N изменитс  за счет уменьшени  веро тносг ти многократных совпадений частиц агиВ-Ыг :) Из (8) и (9) можно определить врем  пролета частицы через счетный объем .ZNi-N : N,i При к - кратном разбавлении формула имеет вид . - (K-2)t5x-7)AV..., гле А- . (10) ™® .J-KNi(H-ip Дл  более простого случа  двукрат.ного разбавлени  из соотношений (1), .(2) и (10) получаем формулу дл  определени  -величины рабочего объема .-ie --N;i, ,(11) . Дл  нахождени  V достаточно найти из (7) величину счетной кондентрации и измерить значени  интенсивности поступлени  импульсов до и после разбавлени  аэрозол  . Поскольку при определении концентрации частиц произ-вод тс  измерени  частоты по влени  интервалов времени TV, целесообразно вместо интенсивностей N.N определ ть средние значени  интервгшов Т и Т (до и после разбавлени ) . В этом случае соотношение (11) принимает простой и удобный дл  вычислени  вид V i «и i -1 Uf -f ) I , (12) Аналогичный расчетный аппарат может испсхльзоватьс  и в, случае, когда концентраци  частиц измер етс  с помс цью методов, основанных на регистрации изображений, в частности телевиэионных и фотографических. Здесь достаточно осветить частицы импульсным источником света и затем измерить распределение рассто ний между изображени ми частиц до и после разбавлени  аэрозол . Расчетна  формула имеет вид (5),

Данна  методика особенно эффективна в том случае, если размеры счетного объема прибора различь ы дл  частиц разных размеров, т.е. показани  прибора (по счетной концентрации) завис т от размеров частиц, и необходимо калибровать прибор дл  каждого размерного интервала. В этом случае измер ют 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 зрени  фотоэлектпического приемника, который выдает импульсы, соотве.тствующие пролетающим через счетный объем частицам . Эти импульсы подают на анализатор , который определ ет величины интервалов времени между импульсами, и наход т частоты по влени  интервалов в зависимости от их длительности .

Разбавл ют некоторый объем исследуемого аэрозол  заданным количеством чистого воздуха, причем степень разбавлени  (к) выбирают таким образом , чтобы после разбавлени  суммарный отсчет анализатора, т.е. общее число регистрируемых интервалов,снизилось не менее чем на 30-50%.

Разбавленный аэрозоль пропускают через тот же счетныйобъем и нахо т частоты по влени  интервалов между импульсами от частиц разбавленного -аэрозол .

По найденным в результате измерений значени ми частоты по влени  заанных интервалов между импульсами . о и после разбавлени  .{W.j и W) , а также по известной степени разбавлени  (к) наход т концентрацию аэрозольных частиц с помощью расчетной ормулы (5). Процедуру выбора велиины интервала X, соответственно и , дл  которого определ ютс  веро тности W и W, по сн ет чертеж,где изображены зависимости х - ), при К 2-дл  отдельных значений

.

10

концентрации частиц 5 10

2 10 см .

Если выборки частиц статически неостаточно хорошо обеспечены и-погрешности измерени  частот Wi значительны, то значени  интервала X целесообразно задавать большими т.е. на участке кривой - f(х) с малым наклоном. Если невелика погрешность установки (измерени ) дли-ны интервала, то целесообразно определ ть отношение дл  одного из малых значений х, либо как среднее значение отношени  дл  р да малых значений х.

Значительные отличи  ,j дл  5 различных X могут быть вызваны тем, что частицы аэрозол  распределены в пространстве не по случайному закону , либо тем, что показани  прибора по счетной концентрации зави.с т от

Q размера аэрозол . Дл  проверки первого предложени  следует сопоставить измеренные и расчитанные по (3) веро тностные распределени  интервалов Tf. Если эти распределени  значительно отличаютс  друг от друга, то это

5 означает, что аэрозоль распределен в пространстве не по закону случайных чисел и описанна  методика неприменима . Погрешности указанных измерений практически не ухудшают

0 точности определени  концентрации частиц. Нет надобности в сложной аппаратуре дл  пр мых измерений размеров счетного объема (либо дл  генерации аэрозол  известной концентрации).

5 Все это приводит к упрощению работы и к повышению оперативности инезависимости показанир п от размеров частиц.

Предлагаема  операци  разбавлеQ ни  проще, чем исключенна  операци  измерений размеров счетного объема и не требует столь чувствительно аппаратуры. А величина степени разбавлени  (к) может быть определена

f. с погрешностью +101, т.е. меньшей, чем погрешность инструментального измерени  размерЪв счетного объема (при малых его размерах)-, состо ща  более 20-30%..

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ определени  концентрации аэрозольных частиц, заключающийс  в

   пропускании исследуемого аэрозол  с заданной скоростью через счетный объем, образованный пересечением пучка электромагнитного излучени - с полем зрени  приемной системы, и в регистрации импульсов рассе нного частицами излучени , о т .л и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью упрощени , повышени  точности и быстроты измерений, измер ют интервалы времени между импульсами, определ ют частоту по влени  интервала с известной длительностью, затем разбавл ют исследуемый аэрозоль чистым воздухом, повтор ют измерени  с разбавленным аэрозолем и наход т концентрацию частиц по следующей зависимости

   , К

   fav-wV И -,,-Til-,

   Ku-H- jT-.

   9 80714310

   где n - концентраци  аэрозольных1. Пылегазоизмеритель Ouster-2000

   частиц;- фирмы Shimazu Vano Shovo, Shird

   L/- линейна  скорость пропуска-haseniroohi shintani Torigazu Cunaosy

   НИЯ аэрозол ,- .Хероп Schimadzu Rev.

   частота по влени  интерва- :

   ла заданной длительности до2. Коузов П.А..Основы анализа диси после разбавлени  соот- персного состава промышленных пылей

   ветственнруи . измельченных материалов, Л.,

   известна  длительность ин- 1971.

   .тервалаГ

   К - степень разбавлени .3. Авторское свидетельство СССР

   Источники информации, 197270, кл. G 01 N 15/02, 1965 (проприн тые йо внимание при экспертизетотип).