2.4 Методическая погрешность измерения счетной концентрации частиц

Данная погрешность измерения, если пренебречь аппаратурной погрешностью возникает на двух этапах - при зарядке частиц и при измерении их зарядов. Для минимизации разброса зарядов одинаковых частиц целесообразно использовать двухсекционные зарядные устройства с временем пребывания частиц в зоне зарядки порядка (15-20)t_з. Однако, основной ошибкой, принципиально неустранимой в электроиндукционных преобразователях числа частиц в электрический сигнал, является ошибка, обусловленная совпадением частиц в измерительном объеме индукционной камеры, размеры которой определяют максимальную регистрируемую без разбавления счетную концентрацию аэрозоля. При малых концентрациях, когда вероятностью нахождения в измерительном объеме двух и более частиц одновременно можно пренебречь, данные о количестве и размерах зарегистрированных частиц не вызывают сомнений. При увеличении измеряемой концентрации аэрозоля увеличивается вероятность совпадения в измерительном объеме нескольких частиц, которые в этом случае будут зарегистрированы как одна большего размера. Это приводит к погрешностям в определении не только количества частиц, но и спектра размеров в исследуемой пробе аэрозоля. В связи с этим диапазон регистрируемых концентраций аэрозоля ограничен сверху значением N_max, при котором относительная погрешность счета частиц _N не превышает 5%. Исходя из этого соотношения, рассчитывается максимально измеряемая без разбавления концентрация аэрозоля для конкретного преобразователя с известным измерительным объемом V_o или (при известной концентрации) необходимый коэффициент разбавления. При допустимой относительной величине просчета импульсов (5-7%) предельная скорость счета для датчика ИВК при расходе 10 л/мин составляет (1,2-1,6)10⁴ частиц/с.

3 Структурная схема пп датчика дск

Датчик счетной концентрации дисперсной фазы аэрозолей разрабатывается с целью использования его в ИВК контроля параметров воздушной (газовой) среды. ДСК обеспечивает отбор пробы исследуемого аэрозоля, регистрацию аэрозольных частиц, преобразование числа и размера частиц в число и амплитуду соответствующих импульсов, и передачу этой информации в ПЭВМ.

Требования к динамическим характеристикам датчика ограничены заданным временем измерения, позволяющим оценить динамику изменения аэродисперсной системы. Существенно влияет на точность оценки уровня загрязнения атмосферы объем анализируемой пробы газа. Ввод ДСК в ИВК потребовал обеспечить возможность его непосредственного сопряжения с ПЭВМ. Структурная схема датчика приведена на рис. 3.1:

Рис. 3.1 Структурная схема ПП датчика ДСК

1. Зарядная камера; 2 -измерительная камера; 3 -побудитель

расхода; 4 -усилитель напряжения измерительный;

5-амплитудный анализатор; 6-преобразователь напряжения

высоковольтный; 7- стабилизатор тока коронного разряда;

8 - калибратор; 9 - блок питания.

ДСК обеспечивает отбор пробы исследуемого аэрозоля, регистрацию аэрозольных частиц, преобразование числа и размера частиц в число и амплитуду соответствующих импульсов и передачу этой информации в ПЭВМ.

Сущность работы датчика заключается в следующем (рис. 2.2.1). Исследуемый поток аэрозоля, создаваемый побудителем расхода 3, проходит последовательно через зарядную камеру 1, в которой приобретает электрический заряд знака потенциала коронирующего электрода , и далее через измерительную камеру 2. Аэрозольные частицы заряжаются в электрическом поле постоянного коронного разряда, осуществляемого между электродами малогабаритной зарядной камеры 1 напряжение на электроды которой вырабатывает высоковольтный модулятор 6.

Датчик счетной концентрации состоит из 3-х основных блоков:

• первичного преобразователя (ПП);

• блока обработки (БО);

• блока питания (БП).

БО ДСК предназначен для приема управляющих сигналов, поступающих с ПУ, выдачи управляющих сигналов на ПП ДСК, анализа и накопления информации, поступающей с ПП ДСК и выдачи информации в УВО комплекса.

БП предназначен для питания электрических схем ПП и БО.

При анализе содержания частиц в заданном размерном диапазоне амплитуду выходного сигнала ПП можно представить, приняв ряд допущений, как функцию нескольких переменных: размера частицы, напряженности элек­трического поля в зарядной камере, температуры, давления воздуха, скорости движения аэрозоля через измерительную линию и пр. Число этих переменных можно сократить, если поддерживать неизменными параметры измерительной линии. ПП содержит следующие функциональные узлы (см. приложение 2):

- измерительную линию, включающую измерительный С1 и калибровочный С25 электроды и ионизационную камеру HI униполярного коронного разряда;

- усилитель предварительный А1;

- преобразователь высоковольтный А2;

- стабилизатор тока коронного разряда A3;

- калибратор А4;

- побудитель расхода Ml.

Внешний вид датчика представлен в приложении 3.

4 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПП ДАТЧИКА ДСК

Общая принципиальная электрическая схема ПП ДСК с платами приведена в приложение 2.

Для питания преобразователя подводятся следующие напряжения:

+15 В, - 15 В для питания предварительного усилителя;

+27 В (0,4 А) для питания высоковольтного преобразователя и калибратора А4;

+27 В (1,0 А) для питания побудителя расхода М1.

Усилитель предварительный А1 (рис. 4.1) предназначен для усиления электрических сигналов, наводимых на измерительном электроде С1 движущимися заряженными частицами.

Рис. 4.1 Усилитель предварительный А1.

Первый каскад построен по схеме усилителя с динамической нагрузкой на полевой сборке ДА1. Резистор R2 служит для выбора рабочей точки на участке с максимальной крутизной. Сигнал с выхода первого каскада поступает на истоковый повторитель, выполненный на полевой сборке ДА2 и после дифференцирования на цепочке С4, R8 на вход микросхемы ДА3. Резистор R9 предназначен для установки необходимого усиления тракта, при котором на выходе усилителя амплитуда сигнала при подаче на его вход калибровочного сигнала будет равна 2В  20%. С выхода 6 ДА3 сигнал, пропорциональный размеру частиц, выводится на разъем ХР1.

Максимальный заряд, который может приобрести частица зависит от ее размера, времени нахождения ее в зарядной камере и от электрических параметров зарядной камеры (напряженности электрического поля и концентрации ионов между электродами, которые определяются размерами электродов и вольтамперной характеристикой разряда).

Для частицы с r = 0.5 мкм в нашем случае имеем :

qm = 1,5.10-15 К;

-скорость частиц при расходе 10 л/мин v = 9,6.102 мм/с при Dзар = Lзар = 15 мм;

-подвижность отрицательных ионов к- = 1,8 см2/В.с;

-напряжение между электродами зарядной камеры 5 кВ;

-длина зарядной камеры - 15 мм, радиус иглы - 50 мкм;

-начальное напряжение коронного разряда - 2,5 кВ;

-концентрация ионов - 2,8.109 ионов/см3;

-о =8,85.10-12Ф/м - электрическая постоянная.

На чувствительность датчика влияют параметры входной цепи усилителя. Измерительная камера представляет собой генератор тока и при тех параметрах, какие имеют место в ДСК (расход аэрозоля 10 л/мин и внутренний диаметр измерительного электрода 3 мм) скорость частиц в камере составит  25 м/с и при Свх=30 пФ и Rвх = 10 Мом время пролета частицы через измерительную камеру значительно больше постоянной входной цепи.

Напряжение шума Uш=5 мкВ соответствует входному флюктуационному заряду на входной емкости усилителя Свх = 30 пФ qш= 1,5.10-16 К. Эта величина и определяет пороговую чувствительность датчика при измерении заряда частицы. Отсюда следует, что теоретический нижний предел измеряемого заряда составляет q =1,5.10-15 К , что на порядок превышает qш.

С выхода усилителя ПП на вход амплитудного анализатора должен поступать импульс напряжения от частицы размером 1 мкм величиной

5 мВ (это минимальный уровень). Следовательно, коэффициент усиления усилителя ПП должен быть не менее

Кус = .

Реальный коэффициент усилителя ПП сделан на порядок больше (с запасом).

Рис. 4.2 Преобразователь высоковольтный А2.

Преобразователь высоковольтный А2 (рис. 4.2) представляет автоколебательный генератор, вырабатывающий постоянное напряжение +5 кВ для питания ионизационной камеры Н1, в которой происходит зарядка частиц. Для стабилизации параметров зарядки ток ионизационной камеры стабилизируется с помощью стабилизатора тока коронного заряда А3 (рис.4.3). Для этого падение напряжения от ионизационного тока, протекающего через резистор R13, подается на вход истокового повторителя ДА4 и далее на вход эмиттерного повторителя на транзисторе VT2. Напряжение с выхода эмиттерного повторителя подводится ко входу 3 стабилизатора напряжения ДА5, от которого питается высоковольтный преобразователь А2. Напряжение, пропорциональное току коронного разряда, используемое для контроля его величины, выводится с движка потенциометра R15 на разъем ХР1. Величина тока коронного разряда 5 мкА, что должно соответствовать величине напряжения 2В, снимаемого с движка потенциометра R15, устанавливается потенциометром R16. Для проверки коэффициента передачи тракта предварительного усилителя служит калибратор А4 (рис. 4.4), который вы дает калиброванный сигнал в течение 16 секунд с момента включения датчика через контакты реле Р1 на калибровочный электрод С25, расположенный рядом с измерительным электродом С1. При этом, на выходе усилителя должны наблюдаться импульсы амплитудой 2 В  20%.

Величина расхода 10 дм3/мин через измерительную линию датчика устанавливается потенциометром R17.

Рис. 4.3 Стабилизатор тока коронного заряда А3.

Рис. 4.4 Калибратор А4.

Основные технические характеристики ПП ДСК:

ДСК рассчитан на эксплуатацию при:

- температуре окружающей среды, ºС + 10...+ 35;

- относительной влажности воздуха, % 40…80;

- атмосферном давлении, кПа от 84 до 106;

- напряженности внешнего магнитного поля не более 0,3 В/м;

- в окружающей среде не должно быть паров агрессивных жидкостей и газов;

- режим работы непрерывный в течение рабочей смены;

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

- расход исследуемого аэрозоля через ДСК, л/мин 10;

- 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.

- габариты, мм 260х104х103

- масса датчика, кг не более 5.

Заключение

Список используемой литературы

1. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. -М.: Атомиздат, 1955.

2.Мирзабекян Г.З. Зарядка сферических частиц микронного диапазона в электрическом поле с пространственным зарядом //Электронная техника. -1966.-Вып.3.-N10.-С.3.

3. Исследование основных параметров малогабаритных зарядных камер. Доклады XXYIII научной конференции ЛИСИ, Л.,1970.

4. Измерение мгновенных значений концентрации дисперсной фазы аэрозоля. Труды ЛИАП, вып.69,Л.,1970.

5. Н.Н.Тиходеев. Дифференциальное уравнение униполярной короны и его интегрирование в простейших случаях, ЖТФ, XXY, вып.8, 1955.

6. Н.А.Капцов. Электрические явления в газах и вакууме, Гостехтеориздат, М-Л, 1950.

41