Санкт – Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики

Лабораторная работа

«Измерение счетной концентрации аэрозольных

частиц методом оптического светорассеяния»

Санкт-Петербург

2007

Составители: к.т.н. Д.Н.Козлов, О.В. Борисова. Методические указания по выполнению лабораторной работы «Измерение счетной концентрации аэрозольных частиц методом оптического светорассеяния». – С-Пб., СПбГИТМО, 2004, с.16.

Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. Г.Г. Ишанина.

Дается описание лабораторной работы «Измерение счетной концентрации аэрозольных частиц методом оптического светорассеяния». В работе используется установка, разработанная в ГНЦ "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева".

Методические указания по выполнению лабораторной работы предназначены для студентов СПбГИТМО.

Измерение счетной концентрации аэрозольных частиц методом оптического светорассеяния

Цель работы. Изучение методов и средств определения счетной концентрации аэрозольных частиц. Экспериментальные исследования функции распределения частиц по размерам полистирольного латекса.

Содержание работы

Проблема контроля чистоты воздуха в производственных помещениях электронной, фармацевтической, медицинской промышленности приобретает все большую актуальность в связи с внедрением новых технологий производства, применением большого числа чувствительной контрольной и измерительной аппаратуры.

Одним из обязательных контролируемых параметров в современных чистых помещениях является счетная концентрация аэрозоля, то есть количество частиц в единице объема воздуха. ГОСТ ИСО 14644-1-2002 “Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды” устанавливает классы чистоты помещений по счетной концентрации аэрозольных частиц с диаметрами от 0,1 до 5 мкм. Основным методом контроля частиц в данном диапазоне размеров, принятым в отечественной и зарубежной практике, является оптический. Для измерений используются фотоэлектрические или лазерные счетчики аэрозольных частиц, принцип действия которых заключается в регистрации рассеянного излучения от отдельно пролетающей через измерительный тракт частицы. Счетчики аэрозольных частиц являются сложными и дорогими приборами, регистрирующими уровень микрозагрязнений воздуха.

Градуировка и поверка счетчиков аэрозольных частиц заключается в установлении зависимости амплитуды сигнала на выходе фотоприемника от размера частицы. Эта зависимость на практике устанавливается экспериментально. Очевидно, что для проведения градуировки и поверки необходимы частицы с известным размером, формой, коэффициентом преломления. Получение монодисперсных частиц является важнейшей задачей градуировки, а от их качества во многом зависят погрешности приборов.

В работе определяется один из ключевых параметров аэродисперсных сред – счетная концентрация аэрозоля методом оптического светорассеяния.

Важной характеристикой дисперсности аэрозольной среды является функция распределения частиц среды по какому – либо параметру, например, по размеру.

Дифференциальная функция распределения (плотность вероятности) f(r), умноженная на dr, равна числу частиц в интервале r, r+dr

N(r)=f(r) dr

Условие нормировки функции распределения обычно записывается следующим образом:

нормировка на единицу: ,

нормировка на концентрацию .

Характерные моменты распределения (среднее, среднеквадратичное, и т.д.) определяются по известному соотношению

,

где n – номер момента.

Первый момент (n = 1) – это среднее значение размера частиц. Среднеквадратический радиус характеризует оптические свойства ансамбля частиц в области размеров, больших длины волны используемого излучения. Среднекубический радиус определяет массовую концентрацию частиц. Абсцисса максимума распределения r_m называется модой. Дисперсия распределения определяется как

,

где ² называется среднеквадратическим отклонением, а величина /r (в процентах) – коэффициентом вариации.

Интегральная функция распределения F(r) показывает, какая доля частиц имеет радиус больше некоторого значения r:

.

Функция распределения частиц аэрозоля по размеру может быть получена путем измерения размеров индивидуальных частиц с помощью фотоэлектрического прибора и сортировки результатов измерений по равным размерным интервалам r с помощью электронных устройств. Полученные данные представляются графически в виде ступенчатой зависимости (гистограммы), где по оси абсцисс откладывается значение размера частиц, а по оси ординат – относительная доля частиц в интервале r, r+r от общего числа измеренных частиц. Аналитическое выражение функции распределения обычно является аппроксимацией сглаженной гистограммы. Наиболее распространены следующие функции распределения:

1. Распределение Гаусса (нормальное) – для аэрозолей, близких к монодисперсным:

.

2. Распределение Юнге - для атмосферных аэрозолей при r0,1 мкм

,

В атмосферных аэрозолях различного происхождения показатель степени изменяется примерно от 2 до 5.

3. Гамма – распределение – для частиц облаков и туманов в диапазоне радиусов 0,5 – 20 мкм:

,

где (+1) – гамма –функция.

4. Логарифмически – нормальное распределение – для ряда промышленных и природных аэрозолей конденсационного и дисперсионного типов:

;

;

.

В качестве объекта исследования применяются следующие типы стандартных образцов: ГСО гранулометрического состава Д040 (монодисперсный полистирольный латекс) (регистрационный номер № 7967 – 2001) и ГСО гранулометрического состава Д050 (монодисперсный полистирольный латекс) (регистрационный номер № 7968 – 2001). Нормированные метрологические характеристики :

• аттестуемая характеристика СО: средний диаметр частиц;

• допускаемый интервал аттестованного значения СО: от 0,35 до 0,45 мкм для образца Д040 и от 0,45 до 0,55 мкм для образца Д050;

• относительная погрешность аттестованного значения СО:  6 %, Р=0,95

Нормированные метрологические характеристики ГСО гранулометрического состава Д040 (монодисперсный полистирольный латекс)

Регистрационный номер № 7967 – 2001

• аттестуемая характеристика СО: средний диаметр частиц;

• допускаемый интервал аттестованного значения СО: от 0,35 до 0,45 мкм;

• относительная погрешность аттестованного значения СО:  6 %, Р=0,95

Нормированные метрологические характеристики ГСО гранулометрического состава Д050 (монодисперсный полистирольный латекс)

Регистрационный номер № 7968 – 2001

• аттестуемая характеристика СО: средний диаметр частиц;

• допускаемый интервал аттестованного значения СО: от 0,45 до 0,55 мкм;

• относительная погрешность аттестованного значения СО:  6 %, Р=0,95

Образцы представляют собой диспергированные в воде частицы полистирола, с концентрацией полимерной фазы не менее 10 % и относительной дисперсией размеров не более 6 %.

Назначение и область применения: поверка аэрозольных и гидрозольных счетчиков, анализаторов запыленности газовых сред и микрозагрязнений жидкостей.

Для определения среднего размера частиц и относительной дисперсии размеров частиц стандартного образца используются счетчик аэрозольных частиц

АЗ-10 и счетчик аэрозольных частиц ПК.ГТА 0,3 – 002.