SU883709A1

SU883709A1 - Particle dispersion analysis method

Info

Publication number: SU883709A1
Application number: SU802868787A
Authority: SU
Inventors: Вера Михайловна Ким; Валентин Николаевич Матвеев
Original assignee: Институт Экспериментальной Метеорологии Госкомгидромета Ссср
Priority date: 1980-01-10
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1981-11-23

Description

(54) СПОСОБ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ(54) METHOD OF DISPERSION ANALYSIS OF PARTICLES OF AEROSOL

1one

Изобретение относитс к технике измерений дисперсных характеристик аэрозольной среды и может быть использовано , например в метеорологии дл определени распределени капель облаков и туманов по размерам, в медицине и химической промлцленности дл определени дисперсного состава жидких и твердых аэрозолей.The invention relates to a technique for measuring the dispersed characteristics of an aerosol medium and can be used, for example, in meteorology to determine the size distribution of cloud and fog droplets, in medicine and in chemical activity to determine the dispersed composition of liquid and solid aerosols.

Известны способы определени некоторых интегрешьных характеристик аэрозольной среды путем предварительной зар дки частиц и последующего измерени переносимого ими зар да 1.Methods are known for determining some integral characteristics of an aerosol medium by pre-charging the particles and then measuring the charge transferred by them 1.

Однако эти способы не дают информации о дисперсном составе измер емого аэрозол .However, these methods do not provide information on the dispersion of the measured aerosol.

Известны более информативны способы , основанные на пространственной селекции предварительно зар женных частиц, движущихс в электрическом поле.Methods based on the spatial selection of pre-charged particles moving in an electric field are more informative.

Наиболее близкий по технической сугадости к предлагаемому заключаетс в следующем.The closest in technical sense to the proposed is as follows.

Твердые частицы исследуемого аэрозол , взвешенные в воздухе, зар жают в зар дном устройстве, затем в тонкой струе воздуха подают в электростатическое поле конденсатора, к пластинс1м которого прикладывают импульсы напр жени пр моугольной форма с длительностью, превышающей врем прохождени аэрозольных частиц через осадительный конденсатор. этом за врем действи импульса из струи последовательно удал ютс фракции частиц убывающего размера. На выходе из конденсатора с помощью датчика зар женных частиц измер ют электрический ток, создаваемой частицами , пролетгиосдими конденсатор без ос 1ждени . По временному изменению величины тока непосредственно определ ют интегральный закон распределени частиц по размерам 12.The solid particles of the aerosol under study, suspended in air, are charged in a charging device, then in a thin stream of air are supplied to the electrostatic field of a capacitor, to which plate voltage pulses of rectangular shape are applied with a duration exceeding the time that aerosol particles pass through the precipitation condenser. this, for the duration of the pulse, fractions of particles of decreasing size are successively removed from the jet. At the outlet of the capacitor, the electric current generated by the particles, the flow condenser, is measured by a sensor of charged particles without the need to wait. By a temporary change in the magnitude of the current, the integral law of particle size distribution 12 is directly determined.

Недостатком известного способа вл етс то, что в нем не учитываетс искажение измер екюго тока, вызванное отскоком от пластин конденсатора перезар дившихс частиц и попаданием их вместе с потоком воздуха в датчик зар женных частиц, который из-за распределени частиц аэро-зол на выходе из конденсатора по всему поперечному сечению, имеет размера пор дка поперечного сечени конденсатора . Датчик таких размеров вызывает сильное искажение электрического пол на выходе из конденсатора , что тоже приводит к понижению точности определени интегрального закона распределени частиц по размерам . Кроме того, измерение электрического тока на выходе из конде сатора не позвол ет распространить этот способ на случай низких концент раций аэрозолей из-за невозможности обеспечени электрометрических измерений малых токов с приемлемой погрешностью . Цель насто щего изобретени - пов шение точности измерений и чувствительности способа. Эта цель достигаетс тем, что час тицы аэрозол зар жают в зар дном устройстве, форг даруют зар женный аэрозоль в струю и пропускают вместе с потоком воздуха через отклон ющее электрическое поле конденсатора перпендикул рно силовым лини м пол . На пластины конденсатора подают импульс напр жени чередующейс пол рности с посто нным значением амплитуды в течение каждого полупериода колебаний напр жени и периодом, равным времени -пролета частиц через отклон к цее поле конденсатора. Отбор частиц производ т на выходеиз конденсатора в плоскости нулевого потенциала в зоне фокусировки струи, и непрерывно измер ют ток, создаваемый прошедшими поле частицами, или их концентрацию. По известным.зависимост м наход т функцию распределени частиц по размерам на рабочем участ ке спектра. Повтор предыдущие one рации при других значени х приложен ного напр жени , получают функцию распределени частиц по размерам во всем диапазоне размеров исследуемых частиц. На чертеже представлена схема установки дл реализации способа дисперсионного, анализа частиц. Установка включает зар дное устройство 1, формирователь 2 струи, конденсатор 3, датчик 4 и вычислител ный блок 5. После зар дки аэрозольных частиц в устройстве 1 их смешивают со струе воздуха в устройстве 2 и затем аэрозолы}ую струю зар женных частиц подают в конденсатор 3 в плоскости нулевого потенциала. К пластинам кондеасатора прикладывают напр жени чередующейс пол рности с амплитудой поато нной в течение каждого полупериЛда , и периодом, равным времени пролета частиц через конденсатор. Двига сь вдоль пластин конденсатора «зар женные частицы отклон ютс в той или другой пластине в зависимоети от направлени отклон ющего пол Так как при. зар дке частицы приобретают зар д с|, , пропорциональный квадрату радиуса г частиц, г а движение частиц подчин етс закону Стокса, скорость частиц V по направлению пол пр мо пропорциональна радиусу частицы Y(r) Вг , где В посто нно при посто нном напр жении, т.е. более крупные частицы вл ютс более подвижными . Из частиц, попадаю14их в отклон ющее поле в любой момент i первой четверти периода Oit Т/ на пластины оседают все частицы со скоростью И(Г) а частицы фракции О г г проход т конденсатор без осаждени (п половина рассто ни между пластинами конденсатора). Предельный размер г , дел щий частицы на оседающие и неоседающие, при изменении MOMeHTat попадани частиц в конденсатор от О до Т/4 непрерывно мен етс от Г-) предельного размера при t О, до Г2 - предельного размера при t Т/4. На чертеже изображен конденсатор 3 в разрезе и траектории частиц предельных размеров: А - частиц размера г дл t О, В - частиц размера ri(2 дл t Т/4. Из пропорциональности /скоростей частиц их размерам следует , что Гч 2г В тех же самых пределах Г{; будет измен тьс и в остальные четверти периода. Все частицы, не осевшие на пластины, вновь собираютс вместе на выходе из конденсатора в плоскости нулевого потенциала . Така фокусировка частиц на выходе объ сн етс тем, что кажда частица одинаковое врем подвергаетс воздействию полей противоположного знака. Отбор частиц в датчик 4 производ т на выходе из конденсатора в зоне фокусировки струи в плоскости нулевого потенциала и непрерывно измер ют ток J , создаваемый пролетающими конденсатор без осаждени частицами , или их концентрацию N. Непрерывно измер емый сигнал поступает в вычислительный блок 5, где по формулам , которые легко вывод тс при условии пропорциональности скоростей частиц их размерам в(г/а-1)«(. ,,.,.5Wi-)aNSUnT dt где S - площадь поперечного сечени струи аэрозол , U - скорость движени частиц вдоль пластин конденса- тора, получают функцию распределени частиц по размерам (г) на,участке спектра QT г ДО rij ,. Измен величину приложенного к пластинам конденсатора напр жени , получают функцию распределени п(г) во, всем диапазоне размеров измер емых частиц .The disadvantage of this method is that it does not take into account the distortion of current measurement caused by the rebound from the recharged capacitor plates of the particles and their ingress, together with the air flow, into the sensor of charged particles, which due to the distribution of aerosol particles at the exit from condenser over the entire cross section, has a size of the order of the cross section of the capacitor. A sensor of this size causes a strong distortion of the electric field at the outlet of the capacitor, which also leads to a decrease in the accuracy of determining the integral law of particle size distribution. In addition, the measurement of the electric current at the exit from the condenser does not allow this method to be extended to the case of low aerosol concentrations due to the impossibility of providing electrometric measurements of small currents with an acceptable error. The purpose of the present invention is to improve the measurement accuracy and sensitivity of the method. This goal is achieved by the fact that the aerosol particles are charged in a charging device, the charged aerosol is formed into a jet, and, together with an air flow, is passed through the deflecting electric field of the capacitor perpendicular to the power lines of the field. An alternating polarity voltage pulse is applied to the capacitor plates with a constant amplitude value during each half-period of voltage oscillations and a period equal to the time-of-flight of the particles through the deviation to the capacitor field. Particles are sampled at the outlet of the condenser in the plane of zero potential in the focusing zone of the jet, and the current generated by the field-passed particles, or their concentration, is measured continuously. According to known dependencies, the particle size distribution function in the working part of the spectrum is found. Repeating the previous ones for other values of the applied voltage, we obtain a function of the distribution of particle sizes over the whole range of sizes of the studied particles. The drawing shows the setup diagram for the implementation of the method of dispersion, particle analysis. The installation includes a charging device 1, a jet former 2, a condenser 3, a sensor 4, and a calculating unit 5. After charging the aerosol particles in device 1, they are mixed with the air stream in device 2 and then aerosols} a stream of charged particles are fed to a condenser 3 in the plane of zero potential. Voltage alternating polarities are applied to the air conditioner plates with a amplitude which is thinned during each half-period and a period equal to the time of flight of particles through the capacitor. Moving along the plates of the capacitor, the "charged particles deviate in one plate or another depending on the direction of the deflecting field. As with. the particles acquire a charge with |, proportional to the square of the radius r of the particles, r and the movement of the particles obeys the Stokes law, the velocity of the particles V in the direction of the field is directly proportional to the radius of the particle Y (r) Br, where B is constant at i.e. larger particles are more mobile. Of the particles that fall into the deflecting field at any moment i of the first quarter of the period Oit T /, all particles are deposited at a rate I (T) on the plates and particles of the fraction O g g pass the capacitor without deposition (n half the distance between the plates of the capacitor). The limiting dimension r dividing the particles into precipitating and non-settling, when MOMeHTat changes, the particles entering the condenser from O to T / 4 continuously change from G-) limit size at tO, to G2 - limit size at t T / 4. The drawing shows a capacitor 3 in the section and trajectories of particles of limiting sizes: A - particles of size g for t О, В - particles of size ri (2 for t T / 4. From proportionality / speeds of particles to their sizes it follows that Hc 2g B of the same within the remaining quarters of the period. All particles not settled on the plates are again gathered together at the exit from the capacitor in the plane of zero potential. Such focusing of the particles at the exit is due to the fact that each particle undergoes equal time field effects Signal. Selection of particles into sensor 4 is performed at the exit from the condenser in the focusing zone of the jet in the plane of zero potential and continuously measure the current J produced by the passing capacitor without precipitating the particles, or their concentration N. The continuously measured signal enters the computing unit 5 where according to the formulas that are easily derived under the condition that the particle velocities are proportional to their sizes in (g / a-1) "(. ,,., 5Wi-) aNSUnT dt where S is the cross-sectional area of the aerosol jet, U is the speed of movement particles along the capacitor plates The particle size distribution function (g) is obtained on, a part of the spectrum QT g TO rij,. By varying the voltage applied to the capacitor plates, the distribution function n (g) is obtained over the whole range of sizes of the measured particles.

Например, чтобы определить распределение по размерам капель тумана радиусом от 1 до 16 мкм, нужно зар жать капли в поле коронного разр да напр женностью 2000 В/см, формироват из них струю, движущуюс со скоростью 20 см/с, К подавать в конденсатор длиной 10 см и рассто нием между пластинами 2 см. Между пластинами , прикладыва импульсы напр жени пр моугольной формы, нужно создавать знакопеременное электрическое поле напр женностью Е 2000В/с с периодом колебаний напр жени Т 0,5 с. Непрерывно измер ток, создаваемой частицами, на выходе из конденсатора с помощью стандартного электрометрического усилител и использу обычные решающие усилители дл выполнени операций по указанным выше формулам, получим распределение капель по размерам в диапазоне радиусов от 1 до 2 мкм. Создава ме;:оду пластинами конденсатора поле напр51женностью 1000 В/см, при остальных неизменных параметрах получим распределение в диапазоне от 2 до 4 мкм. При Е 500 В/см получим распределение дл радиусов от 4 до 8 мкм, а при Е 250 В/см - дл радиусов от 8 до 16 мкм. Т.е. дл определени распределени капель по размерам в диапазоне от 1 до 16 мкм достаточно провести измерени всего при четырех значени х напр женности пол конденсатора .For example, to determine the size distribution of mist droplets with a radius of 1 to 16 μm, you need to charge the drops in a corona discharge field of 2000 V / cm, form a stream moving at a speed of 20 cm / s, K 10 cm and the distance between the plates of 2 cm. Between the plates, applying impulses of rectangular voltage, it is necessary to create an alternating electric field of strength E 2000V / s with a period of oscillation of voltage T 0.5 s. Continuously measuring the current generated by the particles at the outlet of the capacitor using a standard electrometric amplifier and using ordinary decisive amplifiers to perform operations using the above formulas, we obtain the size distribution of droplets in the radius range from 1 to 2 microns. Creating:; a capacitor plate with a field of 1000 V / cm in size, with the other parameters remaining unchanged, we obtain a distribution in the range from 2 to 4 μm. At E 500 V / cm we obtain the distribution for radii from 4 to 8 microns, and at E 250 V / cm for radii from 8 to 16 microns. Those. to determine the droplet size distribution in the range from 1 to 16 µm, it is sufficient to carry out measurements with only four values of the capacitor field strength.

Таким образом подача на пластины конденсатора знакопеременного напр жени с амплитудой, посто нной в течение полупериода колебаний напр жени , и с периодом, равным времени пролета частиц через отклон кнцее поле конденсатора, обеспечивает фокусировку частиц на выходе из конденсатора в плоскости нулевого потенциала , что позвол ет:Thus, applying alternating voltage to a capacitor plate with an amplitude constant during the half-period of voltage oscillation and a period equal to the time of flight of particles through the deflection of the capacitor's field ensures that the particles at the outlet of the capacitor focus in the plane of zero potential, which allows :

1.Повысить точность измерений из-за уменьшени веро тности попадани отскочивших от пластин перезар дившихс частиц в датчик зар женных частиц, а также зна1чительного уменьш ни искажени электрического пол на выходе конденсатора, так как по вл етс воз1 южность использовать датчик , поперечное сечение которого много меньше поперечного сечени конденсатора , расположить его в плоскости нулевого потенциала, а потенциал самого датчика сделать близким или равным нулю.1. To increase the measurement accuracy due to a decrease in the probability of ingestion of recovered particles bounced off the rechargeable plates into the sensor of charged particles, as well as a significant reduction in the electric field distortion at the capacitor output, since it is possible to use a sensor whose cross section is large smaller than the cross section of the capacitor, make it in the plane of zero potential, and make the potential of the sensor itself close or equal to zero.

2.Повысить чувствительность способа , так как при низких концентраци х аэрозольных частиц, когда чувствительность существующих электромеханических усилителей недостаточна дл измерени малых токов, измерение .тока можно заменить измерением концентрации с помощью обычных фотоэлектрических счетчиков.2. To increase the sensitivity of the method, since at low concentrations of aerosol particles, when the sensitivity of existing electromechanical amplifiers is insufficient to measure small currents, the measurement of the current can be replaced by measuring the concentration using conventional photoelectric meters.

3. Распространить способ на измерение дисперсного состава провод щих аэрозолей (сажа, металлическа пыль) и жидких аэрозолей, так как датчик обтекаетс со всех сторон чис;гым воздухом без аэрозольных частиц, и, тем самым, может быть обеспечена качественна изол ци датчика от . пластин конденсатора, находжцихс под высоким напр жением.3. Extend the method to measure the dispersed composition of conductive aerosols (soot, metallic dust) and liquid aerosols, since the sensor flows around from all sides with fresh air without aerosol particles, and thus, high quality insulation of the sensor can be ensured. capacitor plates, under high voltage.

Claims

1. A method of dispersive analysis of aerosol particles, including pre-charging of particles, supplying an aerosol jet to the electrostatic field of a capacitor, to which plates a voltage of rectangular form is applied, and a current measurement. generated by aerosol particles. at the outlet of the capacitor, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, voltage alternating polarity pulses are attached to the capacitor plates and the period is equal to the time of flight of particles through the deflecting electric field of the capacitor, and the current generated by the particles is measured leaving the condenser in the particle focusing zone, in the zero-potenzig plane, and

According to known dependencies, the particle size distribution function on the working spectral region is determined, and to obtain the particle size distribution function over the entire size range of the parts under investigation, this operation is repeated for other values of the amplitude of the applied voltage.

2. The method according to claim 1, wherein and in order to increase the sensitivity, a temporary change in the concentration of aerosol particles is measured at the outlet of the condenser in the particle focusing zone.

four

Sources of information taken into account in the examination

1. USSR author's certificate 340942, cl. G 01 N 15/02, 1970.

2 .. USSR author's certificate 615394, cl. G 01 N 15/02, 1975 (prototype).

-