SU879405A1

SU879405A1 - Method and device for measuring aerosol particle average dimensions

Info

Publication number: SU879405A1
Application number: SU802881052A
Authority: SU
Inventors: Александр Александрович Кирш; Александр Васильевич Загнитько
Original assignee: Предприятие П/Я А-7629
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1981-11-07

Description

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО (54) METHOD OF MEASURING THE AVERAGE SIZE OF AEROSOL PARTICLES AND DEVICE

II

Изобретение относитс к области анализа 1Эродисперсных систем, а именно, к определению среднего размера арозольных частиц, и может быгь использовано при решении задач охраны окружаюптей среды, при исследовании дер конденсации и субмикронных частиц, в медицине Juni контрол дисперсности частиц в аэрозолетерапии, дл анализа аэрозолей, предназначенных дл испытани фильтров.The invention relates to the field of analysis of 1Edisperse systems, namely, to determining the average size of arozolic particles, and can be used in solving problems of environmental protection, in the study of condensation nuclei and submicron particles, in Juni medicine to monitor the dispersion of particles in aerosol therapy, to analyze aerosols, test filters.

Известны способы измерени размеров индивидуальных аэрозольных частиц путем их предварительной зар дки газовыми ионами и последуюшего измерени электрической подвижности частиц в электрическом поле 1. Как известно , дол зар женных частиц и их электрическа подвижность однозначно св заны с размером частиц 2. Способы, ооюванш е на измерении электрической подвижности, чрезвычайно сложны и трудое.мки, требуют пре дазион)юй аппаратуры .Methods are known for measuring the size of individual aerosol particles by pre-charging them with gas ions and then measuring the electric mobility of particles in an electric field 1. As is known, the fraction of charged particles and their electric mobility are uniquely related to the size of particles 2. Methods that are measured on electric mobility, extremely complex and labor-intensive, require training devices.

Известен способ определени среднего размера частиц путем измерени тока переноса частиц, зар жаемых в результате захвата унипол рных газовых ионов 3. По этому способу ид ЕЕО ОСУЩЕСТВЛ1;11ИЯThe known method of determining the average particle size by measuring the current of the transport of particles charged as a result of the capture of unipolar gas ions 3. According to this method, the ID is EEO IMPLEMENTED1;

исследуемы11 аэрозоль пропускают через зар дное устройство в присутствии внептнего электрического пол с небольпгой напр женностью Е, не более 50 В/см, не искажающего диффузионньпт режим зар дки частиц. Далее поток зар женн,1х частиц пропускают через электрический конденсатор, в котором частицы осаждаютс . Дол осаж.даемых частиц X зависит от их подвижности В, скорости газового потока и приложенной разности потенциалов U между об10 кладками конденсатора. О величине доли осевших частиц X суд т по изменению тока переноса частиц ип,проигеди1их через конденсатор и уловленных на фильтре, соединенном с электрометром . По измеренной зависимости 1, от Investigated11 aerosol is passed through the charging device in the presence of an external electric field with a small intensity E, not more than 50 V / cm, which does not distort the diffusion mode of particle charging. Next, a stream of charged, 1x particles is passed through an electric capacitor, in which the particles are deposited. The fraction of the deposited particles X depends on their mobility B, the gas flow velocity and the applied potential difference U between the capacitor plates. The value of the fraction of particles X settled is judged by the change in the particle transport current SP, lost through a capacitor and trapped on a filter connected to an electrometer. According to measured dependence 1, on

15 и при посто нной известной скорости газового потока наход т зависимость X от U и далее е помощью теоретических формул или по калибровочной кривой рассчигьшают подвижность частиц В и, соответстне)111о, размер частиц.15 and at a constant known gas flow rate, the dependence of X on U is found, and further, using theoretical formulas or a calibration curve, calculate the mobility of the particles B and, correspondingly) 111 °, the size of the particles.

МM

Данн1лй способ вл етс по технической сущности наиболее близким к изоб 1етению. Указанн1 )1Й способ осушест.1 нл с помошью устройства д,:1 измерени средне о размера аэрозольиых частиц, содержащего корпус, газовый фильтр, источник унипол рн х ионов, патрубок дл подачи и вывода исследуемых частиц и воздуха, параллельнь е электроды, один из которых заземлен, а другой подключен к источтжу напр жени , фильтр с провод щими воло нами, соедипенр1ый с электрометром. Недостатком этого способа измерени разм ра частиц вл етс низкий верхний предел измерени размеров частиц, составл ющий не более 5-lO HM по радиусу, а также необходимость использовани электрического конденсатора , на обкладки которого подают очень вы сокую разность потенциалов, свыще 10 кв, в результате чего при осаждении твердых частиц на обкладках конденсатора возникает коронный разр д, который вл етс причиной погрешности измерени размера частиц. Целью насто щего изобретени вл етс расщирение верхнего диапазона размеров измер емых аэрозольных частиц вплоть до 5 10 нм по радиусу. .Цель достигаетс путем измерени отношен токов nepeiioca частиц, зар жаемых поочередно в режиме х1иффузио;пюй и ударной зар дки при посто нном параметре зар дки Ct, определ емом как произведение ионной проводимости газа С на врем зар дки частиц t в зар дном устройстве. Отличительи.ыми приз 1аками способа вл ет с то, что размер частиц определ ют ий отношени токов переноса частиц, зар женных в диффузионном и удар1 ом режимах зар дки, а также то, что величины токов переноса частиц измер ют при фиксировашюм параметре зар дки частиц Ct. Величина зар да, приобретаемого частицей в результате различного механизма захвата ионов в режиме ударной и даффузионной зар дки, имеет различную функциональную зависимость от радиуса частицы, что позвол ет при фиксированных значени х параметра зар дки Gt св зать ва.диус часгицы с отношением зар дов час тицы,а в случае потока частиц св зать средний рат ус частиц с отношением токов переноса частиц, зар жаемых в разных ремшмах зар дки. Далее определив размер частиц по 1 змеренному значе А. П™И J.. по соответствующи формулам можно определить концентрацию аэрозол . Существо способа заключаетс в том, что исследуемый аэрозоль пропускают через зар дное устройство, в котором частицы зар жаю уштол ркыми ионами в присутствии внещнего электрического пол , сначала с небольшой напр женностью Е, что соответствует диффузионному мехазшзму зар дки, а затем при Е кв/ т.е. в режиме ударной зар дки, после чего поток аэрозол пропускают через фильтр, в котором в результате осаждени зар женных частиц возш1кает ток переноса, измер емый электрометром. По величине отно1иени токов переноса частиц, зар же} Ш)1Х в режиме ударной Оу.п и диффузионной зар дки д п известнь м теоретическим формулам или с помощью калибровочной кривой рассчитьп ают радиус частиц. Измерение и расчет чрезвычайно упрощаетс , если зар дку по этим двум механизмам захвата ионов ведут при фиксированном параметре зар дки Ct. Изобретенный способ может осуществлен устройством, отличающимс от известного тем, что газовый фильтр герметично охватывает патрубок Ш1Я шдачи частиц, а нижний торец патрубка расположен по церлру между электродами и выступает на.а плоскостью газовогО (|)ильтра. На чертеже схематически изображе ю прешигаемое устройство. Оно содержит пр моугольный корпус 1, пыполненный из изол щюнного материала. В центрсшьиой части корпуса расположены иараллельн .ые электроды 2 и 3. К сеточному э.чектроду 2 с наружной CTOpoifbi присоединен источник унипол рных Hoiioii 4, в качестве которого используют пр моуголь}П)Й корои 5, вь полненный из изотг цконного материала, в которого установлен короиирующий электрод б, соединенньй с источником высокого нанр жеИИЯ 7. В верхней част.и корпуса установлены два патрубка; патрубок 8 вдоль оси симметрии канала /j;i подачи чист)щ и патрубок 9. расположенный перпендикул р1 о патрубку 8 ш иоддчи воздуха. Воздух поступает п центральную часть корпуса через фильтр 10, который гер.метично охватывает патрубок 8, расноложе) перпендикул рно ему и служит дл очистки воздуха и вырав швани профил скорости фильтровакпого воздуха. Нижний торец патрубка 8 выступает над плоскостью поверхности фильтра 0 на 1-2 диаметра патрубка. В нижней части корпуса установле фильтр 11 с провод щими волокнами , соединенный с эпектро.метром 12, и выходной патрубок 33. Электрод 2 Б)Н1олнен из сетки и заземлен, а электрод 3 соединен с генератором электрических импульсов переменной пол рности 14. Величину электрической проводимости в междуэлектродном пространстве канала поддерживают носто нной путем изменени тока ионов в 4. Отличительные особенности предлагаемого устройства состо т в следующем. Устройство снабжено дополнительным ф и1ьтром 10, который служит дл фильтрации воздуха, выравнивани профил скорости фильтрованного воздуха и герметично охватывает патрубок 8, KOTOpbui расположен вдоль оси симметрии электродов 2. 3, причем 1Шжннй го5 рец патрубка выступает над плоскостью фильтра на 1-2 диаметра патрубка. Таким образом, поток исследуемых частиц между электродами обдувают соосио фильтрованным воздухом, что позвол ет устразшть потери зар женных частиц. Это обсто тельство особенно важн.о при зар дке частиц с радиусом г) 5 10 нм в присутствии сильного электрического пол , и именно благодар обдуву удаетс расширить д апазон измерени частиц до г 510 нм. Дл осуществлени мгновеьшого измерени дисперсности аэрозол с быстро мен ющимис параметрами nsNiepeHHC размера осуществл ют путем делени исследуемого потока аэрозол на ДВ6 равные части, которые пропускают чере два идентичных измерительных устройства, а в одном из которых из.мер ют ток переноса частид, зар женных в диффузионном зар дки, а в другом - в ударном. В обоих устройствах поддерживают одинаковый нараамет зар дки. Пример 1. Поток монодисперс}1ых частиц диэтилгексилсебацината пропускают через зону зар дки зар дного устройства, величину ионной проводимости,в которой поддерж вают равной ,0610(ом.м) . Врем пребывани частид в зар дном устройстве ,5 с. Ток переноса частиЦ , зар женных в диффузионном рохиме зар дки при ,005 кВ/см, равен . Ток переноса частицJ, зар жерлшх в ударном режиме зар дки при ,21 кВ/см, равен 9,2 iO А. Отноше П1е токов переноса /-А п , что соответствует среднему радиусу частиц 55 H.VJ. Скорость аэрозол кого газового потока часги.ц О. 10 см /с. Соответственно, концентраци частиц N 1,39-10 частиц/см. Пример 2. Поток монодисперсных частиц дибутилфталата пропускают через зону зар дки зар дного устройства, величину ионнс провоД1{мости в которой поддерживают равной С 2,06-10 (ом.м) . Врем пребывани ча тиц в зар дки:-.; устройстве ,5 с. Ток переноса часшдС; 5,П|3- Р 2--™ - в лиффуЗ .онном режиме зар дки при ,.005 кВ/см, равен 10 А. Ток переноса частиц С} ., , зар жеш1ы в ударном режиме зар дки npsi ,21 кВ/см, равен А. Отношение токов переноса частиц 6. что соответiS ствует среднему радиусу 10 - нм. Скорость газового потока частиц см 7с. Соответствеюю , концентраизю частиц ,85 10 частиц/см. О р и м е р 3. Поток люнодисперсных частиц дибутилфталата пропускают через зону зар дки зар дного устройс1Ба, велкчиг конно провош мости в которой поддерживают равной С 2,06-Ш Сом.м) . Врем пребыва1ШЯ частиц в зар дном устройстве ,5 с. Ток переноса частиц Эд-.п ч зар жегпгых в днффузиощюм режиме зар. дки при ,005 кВ/см, равен 10 А. Ток перенос-а частггц , зар женных в ударном ремс1гме зар дки.при ,21 кВ/см, равен 2,. Отношеш1е токов нереноса v,r. п 22, что соответствует среднему радиусу частиц 5-10 нм. Скорость газового потока частш; Q 10 . Соответственно, концентраци частиц ,42 - iO частиц/см. Ф -о р г%. у л а ji 3 о б р е т е н и 1.Способ измерени среднего размера азрозольных частиц nyTCNi их предвгфнтельной зар дки ун1:полкр1-:ыми газовыми ионами, о т л и ч а ю щ н и с тем, что, с целью увеличени верхж1 о предела из epeни размеров част15ц, при фиксированном параметре зар дки, определ емом как П1эо11зведение ионной проводимости газа на врем зар дки, измер ют величину тока, переносимого частицами зар женными поочередно в режиме диффузионной и ударной зар дк, и по отношеттаю этих токов суд т о размерах части/ц. 2.Устройство дл осуществлени способа по П.1, содержгглее коргпС,--газовый фильтр, г.сточник унипо.ч рныл ионов, патрубки дл подащ н вывода .едуемых частиц ;; воздуха, параллельные электродь, один из которых зазe L eн , а другой аоддключеи к источнику напр жетш , фильтр с гфовод игамз; } о; окнагл5, соединенный с злектрог--хтром, о т л 5i ч а ю П-1 с е с тем, что газовый фильтр герметично охватывает патрубок дл подачт частид. а нж а-iH торец ггйтгубка распо:то сен по центру мелСТ} электрода:,iii и выстлПЕот над илоскостьго газового фильтра. iLpnuHTbie во iiHiiNiaHHe Uiiu э;;сиео;изе, 1.Фукс 1.А., Петр нов И.В. Определение размеров и зар ;;а частиц в тхт гаках.- Журнал ф оической химии , т. 1У, 1П;.5, с.567-572. 2.Liu B.Y.H., Pji D.Y.H., E-quiisbrium Bipolar Charge Distribution of Clerosois journal of Coiioid ana Interfare Science, V 49, № 2, 1974, p.p. 305-311. 3.Vi/hitby K.T., Liu B.Y.H., Pui D.Y.H,, A Portable Electrical Analy.er for Size Measurs- mant of Submicron Ae osols Jourtial of i;hs Air Pollstion Control Association, 24, № 11, 1974, p. 1067-1072 (прототип).This method is technically closest to the image of technology. The indicated 1) method of drying. 1 nl with the aid of the device d,: 1 measurement of the average size of aerosol particles, comprising a housing, a gas filter, a source of unipolar pH x ions, a nozzle for supplying and removing particles and air, parallel electrodes, one of which is grounded and the other is connected to a voltage source, a filter with conductive waves, connected to an electrometer. The disadvantage of this method of measuring the particle size is the low upper limit of measuring particle sizes, which is no more than 5-lO HM in radius, and the need to use an electric capacitor, on whose plates a very high potential difference is applied, more than 10 kV, as a result During the deposition of solid particles on the capacitor plates, a corona discharge occurs, which is the cause of the measurement error of the particle size. The object of the present invention is to expand the upper size range of the measured aerosol particles up to 5 10 nm along the radius. The goal is achieved by measuring the ratio of the currents nepeiioca particles alternately charged in diffusion mode; pu and shock charging with a constant charge parameter Ct, defined as the product of the ionic conductivity of gas C by the time of charging particles t in the charging device. The distinction between the prizes of the method is that the particle size determines the ratio of the transfer currents of particles charged in the diffusion and impact charge modes, and that the values of the particle transfer currents are measured at a fixed setting for particle charging. Ct. The magnitude of the charge acquired by a particle as a result of a different mechanism for trapping ions in shock and diffusion charging modes has a different functional dependence on the radius of the particle, which makes it possible, at fixed values of the charge parameter Gt, to associate a variable radius of charge particles, and in the case of a stream of particles, associate the average crate of the particles with the ratio of the currents of transfer of the particles charged in different charging screens. Further, by determining the particle size by 1 measured value of A. P ™ and J. .. according to the appropriate formulas, it is possible to determine the concentration of aerosol. The essence of the method is that the test aerosol is passed through a charging device in which the particles charge ushtr with bright ions in the presence of an external electric field, first with a small intensity E, which corresponds to the diffusion mechanism of charging, and then with E kv / t . in the shock charge mode, after which the aerosol stream is passed through a filter, in which a transfer current measured by an electrometer increases as a result of the deposition of charged particles. According to the magnitude of the ratio of the currents of particle transport, the charge} W) 1X in the shock mode Oy.p and the diffusion charge is given to the theoretical formulas or to calculate the radius of the particles using a calibration curve. Measurement and calculation is extremely simplified if the charge on these two ion trapping mechanisms is carried out with a fixed charge parameter Ct. The invented method can be carried out by a device that differs from the known one in that the gas filter hermetically covers the nozzle of the particles, and the lower end of the nozzle is located along the center between the electrodes and protrudes on the plane of the gas ()) iltra. In the drawing is a schematic depiction of the present device. It contains a rectangular housing 1, made of insulating material. In the center of the housing part there are located the parallel electrodes 2 and 3. A source of unipolar Hoiioii 4 is attached to the grid electrochemical 2 with the outer CTOpoifbi, which is used as a right angle} P) I of the corona 5, made of which has a corrosion electrode b installed, connected to a high source source 7. In the upper part of the body there are two nozzles; pipe 8 along the axis of symmetry of the channel / j; i feed clean) and pipe 9. located perpendicular to p1 on the pipe 8 of air iodciation. The air enters the central part of the housing through the filter 10, which germetically covers the pipe 8, is horizontal to it and serves to clean the air and smooth out the velocity profile of the filter air. The lower end of the nozzle 8 protrudes above the surface of the filter 0 to 1-2 diameters of the nozzle. In the lower part of the housing, a filter 11 with conductive fibers, connected to an ectrometer 12, and an outlet 33, is installed. Electrode 2B) is hollow from the grid and is grounded, and electrode 3 is connected to an alternating polarity generator 14. Electric conductivity value in the inter-electrode space of the channel, they are kept naked by changing the ion current to 4. The distinctive features of the proposed device are as follows. The device is equipped with an additional filter 10, which serves to filter the air, level the velocity profile of the filtered air and tightly enclose the nozzle 8, the KOTOpbui is located along the symmetry axis of the electrodes 2. 3, with the 1st end of the nozzle 2–2 times the diameter of the nozzle. Thus, the flow of particles under study between the electrodes is blown with coaxially filtered air, which allows the loss of charged particles to be suppressed. This circumstance is especially important when charging particles with a radius of g) 5 10 nm in the presence of a strong electric field, and it is thanks to the blowing that it is possible to expand the particle size dimension to g 510 nm. To instantly measure the dispersion of an aerosol with rapidly varying nsNiepeHHC size parameters, it is done by dividing the test aerosol flow into DV6 equal parts that pass through two identical measuring devices and in one of them measure the current transfer of the particles charged in the diffusion Charge, and in the other - in the shock. In both devices, the same charge is maintained. Example 1. A monodispers flow} of the first particles of diethylhexyl sebacate is passed through the charging zone of the charging device, the value of ionic conductivity, in which it is maintained equal to, 0610 (ohm m). Part time in charge device, 5 s. The current of transfer of particles charged in the diffusion rohime of charging at, 005 kV / cm, is. The current of transfer of particlesJ, of the charge of charges in the shock mode of charging at 21 kV / cm, is 9.2 iO A. The ratio P1e of the transfer currents / -A n, which corresponds to an average particle radius of 55 H.VJ. The velocity of the aerosol gas flow is about 10 cm / s. Accordingly, the concentration of the particles is 1.39-10 particles / cm. Example 2. A stream of monodisperse particles of dibutyl phthalate is passed through the charging zone of a charging device, the ionic value of the conductor1 {bridges in which is maintained equal to C 2.06-10 (ohm m). The residence time of the particles in charge: - .; device, 5 s. Transfer current clock; 5, П | 3- Р 2-- ™ - in the effluent charge. The single charge mode at, .005 kV / cm, is equal to 10 A. Current of transfer of particles C}.,, Charge in the shock charge mode npsi, 21 kV / cm, equal to A. The ratio of the current of transfer of particles 6. That corresponds to an average radius of 10 - nm. The gas flow rate of particles cm 7c. Accordingly, the concentration of particles, 85 10 particles / cm. About measure 3. The flux of lonodisperse particles of dibutyl phthalate is passed through the charging zone of the charging device, in which the equestrian horse carrier is maintained equal to C 2.06-W Som.m). Time of stay of particles in the charging device, 5 s. The current transfer of particles ED-.p h zargeggyh in dnfuzioshyuy mode zar. The cards at, 005 kV / cm, are equal to 10 A. The transfer current of the frequency GHz, charged in the charging system of charge at 21 kV / cm, is 2 ,. Withstand non-transfer currents v, r. p 22, which corresponds to an average particle radius of 5-10 nm. Gas flow rate is frequent; Q 10. Accordingly, the concentration of particles, 42 - iO particles / cm. F - p g%. l i j i 3 o bree n i 1. A method of measuring the average size of nyTCNi azrozole particles of their preparative charge of un1: polkr1-: gaseous ions, so that In order to increase the limit from the frequency limit of 15 c, with a fixed charging parameter, defined as P1e2, the ionic conductivity of the gas for the charging time, the current transferred by the particles charged alternately in the diffusion and shock charge regimes and measured these currents are judged on the size of the part / c. 2. A device for carrying out the method according to Claim 1, containing a korgps S, is a gas filter, a city source of unipolarized ions, branch pipes for receiving and outputting particles ;; air, parallel to the electrode, one of which is behind the ground, and the other is connected to the source voltage, a filter from the head of the cable; } about; Windows 5 connected to the electric power supply unit, about 5 5 hours P-1, with the fact that the gas filter hermetically encompasses the nozzle for supplying part of it. But the n-a-iH end of the sponge is located: then the center along the center of the electrode}: iii and lined with a gas filter over it. iLpnuHTbie in iiHiiNiaHHe Uiiu e ;; sio, ize, 1.Fux 1.A., Petrnov I.V. Determination of the size and charge ;; of particles in tons ghak. 2.Liu B.Y.H., Pji D.Y.H., E-quiisbrium Bipolar Charge Distribution of Journal of Coiioid ana Interfare Science, V 49, No. 2, 1974, p.p. 305-311. 3.Vi/hitby K.T., Liu B.Y.H., Pui D.Y.H ,, A < RTI ID = 0.0 > Electrical < / RTI > Analytical Electrical Analyzer, 24, No. 11, 1974, p. 1067-1072 (prototype).

//

Claims

Claim

1. A method of measuring the average size of aerosol particles by pre-! rows with unipolar gas ions, which is related to the fact that, in order to increase the upper limit for measuring particle sizes, for a fixed charging parameter defined as the product of the ionic conductivity of the gas by the charging time, the current carried by the particles charged alternately is measured in the mode of diffusion and shock charging, and in relation to these currents, particle sizes are judged.

2. A device for implementing the method according to claim 1, comprising a housing -Gas filter, a source of unipolar ions, tubes for feeding and withdrawal of the test particles and air, parallel electrodes, one of which is grounded and the other connected to the source by ^one conjugation, a filter with conductive fibers connected to the electrometer, especially since the gas filter tightly covers the nozzle for feeding particles, and the lower end of the nozzle is located in the center ^} between the electrodes and protrudes above the plane of the gas filter.

SOURCES 1Shfor?

5 taken into account during the executive,

1. Fuchs 11.A., Petryakov I.V. Determination of the size and charge of particles in fogs .- ’’ Journal of Physical Chemistry ’, vol. 1U, issue 5, p. 569-572.

2. Liu P'_ii D.Y.H., Equilibrium Βίρο-, far Charqe Dictributiοn of Clerosols journal of Colloid ana InTerfare Science, V 49, No. 2, 1974, p.p. 305-311.

3. Whitby K.T., Liu B.Y.H., Pui D.Y.H., A Portable Electrical Analyzer for Size Measure — merit of Submicron Aerosols Journal of the Air Pollation Control Association, 24, No. 11, '1974, p. 1067-1072 (prototype).