1 Постановка задачи, техническое задание

Постановка задачи

Исследовать возможность создания первичных преобразователей, пригодных для использования в ИВК для контроля основных физических характеристик ДФA: счетной, поверхностной, массовой концентра­ций и др. Обосновать возможность их использования для контроля аэро­зольного загрязнения воздуха пылеконтролируемых производственных помещений, уровень запыленности которых регламентируется ГОСТ, ОСТ или иными нормативными документами, (авиастроение, приборостроение, микробиология, химическая и фармацевтическая промышленность и пр.), при мониторинге окружающей среды, а также в научных исследованиях, что обеспечит повышение производительности труда, оперативности и объективности контроля указанных выше параметров ДФА.

Техническое задание

Разрабатываемый датчик счетной концентрации аэрозольных частиц должен иметь следующие параметры:

- диапазон размеров регистрируемых частиц, мкм от 1,0 до 100,0;

- погрешность определения счетной концентрации, % не более 20;

- время отбора пробы, мин не более 4;

- потребляемая мощность от сети 220 В 50 Гц, В А не более 30.

2 Измерение параметров дисперсной фазы аэрозолей

2.1 Обзор научно-технической и патентной литературы по теме. Выбор метода измерения счетной и массовой концентрации дисперсной фазы аэрозолей

Изучение содержания аэрозольных частиц в газах проводятся уже в течение длительного времени и за это время разработано свыше 30 методов измерения. Многообразие методов исследования объясняется сложностью проблемы измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля, так как размер, химический состав и физические свойства частиц крайне разнообразны. Необходимо отметить, что ни один из предложенных методов измерения не позволяет определить концентрацию частиц в определенном месте в данный момент времени с абсолютной точностью. Каждый из известных способов вносит более или менее значительные нарушения в состояние аэрозольного облака [1].

Термин “технологическая атмосфера” появился в технической литературе сравнительно недавно (1975 г.) [2]. Под ним понимается ограниченный и изолированный от атмосферы объем воздушной среды, в котором осуществляется тот или иной технологический процесс или технологическая операция. Дисперсный состав и размер частиц механических примесей относится к основным показателям, определяющим качество технологической атмосферы.

Исчерпывающей характеристикой дисперсной фазы является дифференциальная функция распределения частиц по размерам f(r). При этом радиус частицы рассматривается как одномерная случайная величина, а сама функция f(r) является непрерывной, дифференцируемой, положительной и удовлетворяет условию нормировки, т.е. является плотностью вероятности случайной величины r:

. (2.1.1)

Дифференциальная функция распределения f(r), умноженная на приращение dr, определяет долю частиц dp/p₀ c размером от r до (r+dr), содержащихся в единице объема воздуха [3]:

. (2.1.2)

Общее количество частиц, содержащихся в единице объема воздуха, приведенного к стандартным условиям, определяет счетную концентрацию аэрозоля [4].

Определение размера частиц с жидкой дисперсной фазой не вызывает принципиальных затруднений, т.к. их форма близка к сферической. Частицы с твердой дисперсной фазой в подавляющем большинстве случаев имеют неправильную форму или форму кристаллов. По общепринятой методике в этом случае за размер частицы принимают диаметр сферы 2r, эквивалентной реальной частице по поверхности, массе, светорассеянию и т.п., в зависимости от способа измерения.

При определении размера частиц электроиндукционным способом определяют “электрический размер”. Это диаметр сферы из аналогичного материала, эквивалентной реальной частице по величине заряда, полученного при тех же условиях электризации.

В отличие от распределений, являющихся чисто эмпирическими, некоторые аналитические выражения получены на основе определенных представлений о закономерностях измельчения исходного материала. К ним относятся логарифмически-нормальное распределение, выражение для которого может быть записано в виде [5]:

. (2.1.3)

Применимость этого закона для описания многих видов аэродисперсных систем и порошкообразных материалов подтверждено многочисленными экспериментальными исследованиями [3,4].

Логарифмически-нормальным законом аппроксимируется распределение частиц в чистых производственных помещениях, нормируемое соответствующими отраслевыми стандартами - ОСТ. 1.41519-80 в авиационной промышленности и ОСТ 11.050.067-82 в электронной промышленности. Аналогичный стандарт FS 209 для чистых производственных помещений действует в США. Многие страны для оценки качества технологической атмосферы пользуются стандартом VDI 2083.

Для всех приведенных выше стандартов, количество частиц N_2r размером большим или равным 2r в единице объема воздуха определяется по формуле:

, (2.1.4)

где - постоянная, определяемая классом чистоты производственного помещения; i = 1,2,3,...,7.

Логарифмически-нормальным законом удовлетворительно описываются ненарушенный дисперсный состав аэрозолей. Если же это условие не выполняется и дисперсный состав нарушен процессами, связанными с витанием пыли в воздухе, то в этом случае имеет место или усеченное логарифмически-нормальное распределение, или распределение, описываемое формулой Ромашова [4]:

, (2.1.5)

где а, В - параметры распределения, зависящие от характеристик дисперсной фазы дисперсионной среды.

Физическое объяснение этому кроется в том, что в воздушной среде постоянно действуют конвективные потоки, как от технологического оборудования, выделяющего тепло, так и от систем отопления и вентиляции. По этой причине в воздухе оказываются взвешенные частицы более крупные, чем того следовало бы ожидать.

Все методы исследования запыленности по своему принципу разделяются на две большие группы:

- с выделением дисперсной фазы аэрозоля из дисперсионной среды;

- без выделения дисперсной фазы.

Исчерпывающие сведения по классификации методов измерения запыленности газовой среды и описанию приборов, реализующих эти методы, содержатся в работах [1- 4]. В мировой практике контроль ПЧ производственных помещений осуществляют оптическими (как правило, лазерными) счетчиками аэрозольных частиц. Эти же требования установил и ГОСТ Р 50766-95 “Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации. Основные требования”. В отдельных случаях, при согласовании с заказчиком допускается использование приборов и систем, реализующих другие методы измерения, лишь бы их точность была не ниже оптических. В настоящее время для измерения счетной концентрации аэрозольных частиц используются приборы АЗ-5 (анализатор запыленности) и АЗ-6 Выборгского приборостроительного завода, ПКЗВ-905 (прибор контроля запыленности воздуха) и ПКЗВ-906 Смоленского приборостроительного завода. Перечисленные приборы не предназначены для работы в ИВК. Все приборы, дающие оценку запыленности воздуха в счетных показателях (кониметры, импинджеры, термопреципитаторы и др.), служат лишь для получения качественных препаратов, которые затем исследуются под микроскопом. Они не позволяют автоматизировать процесс измерения. Непрерывное же измерение счетной концентрации аэрозольных частиц связано с использованием более сложной и дорогой аппаратуры. Методы исследования аэрозолей без выделения дисперсной фазы позволяют получать результаты и вести пылевой контроль воздуха непрерывно. Из приборов, основанных на методах, использующих электрические свойства аэрозольных частиц, отметим лишь те, которые обеспечивают возможность автоматизации процесса измерения. Принцип предварительного заряжения частиц с последующим определением их размера по величине приобретенного ими заряда положен в основу ряда приборов для непрерывного определения счетной концентрации аэрозольных частиц. При этом исходят из существования определенной зависимости между размером частицы и приобретенном ею зарядом.

Анализ существующих в настоящее время методов измерения счетной концентрации аэрозольных частиц показывает, что все предлагаемые методы имеют ограниченную область применения. Пригодность того или иного метода для измерения счетной концентрации частиц для каждого конкретного случая определяется с одной стороны требуемой чувствительностью и точностью измерения, характером измерения (периодическое или непрерывное), минимальными затратами труда и времени, долговечностью и надежностью работы средств измерения, а с другой стороны - их стоимостью. Кроме того, особенно нужно учитывать, позволяет ли метод автоматизировать процесс измерения.

На основании проведенного обзора существующих в настоящее время методов и приборов, можно сделать вывод, что создать датчик контроля чистоты воздуха, удовлетворяющий всем вышеперечисленным требованиям можно лишь на основе какого-либо косвенного метода измерения. Одним из таких методов является электроиндукционный метод, основанный на зарядке аэрозольных частиц в поле коронного разряда и последующем измерении заряда частицы.