3.4. Методы и приборы для измерения концентрации пыли

Концентрацию пыли можно измерять без отбора пробы запылён­ного газа и с её отбором. В последнем случае обычно нужно получать осадок пыли (для ряда приборов наличие такого осадка не требуется).

Пылемеры – это приборы для определения концентрации и (или) дисперсного состава, то есть распределения по размерам (в основном в интервале от менее 1 мкм до нескольких десятков мкм), твёрдых час­тиц, взвешенных в атмосферном воздухе или в промышленных газах непосредственно на месте замера. В зависимости от метода, заложен­ного в основу измерений кон­центрации пыли, пылемеры подразделяют на оптические, радиоизо­топные, электрометрические и акустические.

В конструкциях пылемеров предусмотрены такие методы опре­деления концентрации частиц в воздухе рабочей зоны: фильтрация, седиментация, преципитация, оптический и фото­метрический методы.

Фильтрационные приборы состоят из аспиратора (эжектор, микронасос и т. д.), расходомера и фильтра. Приборы седиментационного типа включают стеклянную пластинку, покрытую клейким веществом, на которой оседают и накапливаются пылевые частицы. В приборах, основанных на принципе центробежного отбора проб, используется кинетическая энергия частиц, находящихся во взвешенном состоянии в потоке воздуха, создаваемого эжектором либо насосом. Обычно эти приборы включают микроциклон, центробежный фильтр, микро­дви­га­тель и регулятор напряжения. Источником энергии служат бата­рей­ные аккумуляторы. В электростатических пылеуловителях взве­шенные частицы пыли под воздействием создаваемого электрического поля приобретают электрический заряд и оседают на аноде или катоде, где накапливаются и откуда берутся на анализ под микроскопом (раз­мер частиц достигает 0,1 мкм). В них обеспечивается улавливание час­тиц пыли, проходящих через тепловое поле, создаваемое прибором. Конст­руктивными элементами, как правило, являются микропроцес­сор, сис­тема цифровой регистрации количества просасываемого воз­духа и об­легченная схема определения дисперсного состава частиц пыли.

Для большинства пылемеров характерна погрешность измерений до 20 %. Наименьшей погрешностью обладают радиоактивные пыле­меры, а также фотоэлектрические счётчики, а наибольшей – массово применяемые ручные пылемеры. Обычно используют ручные или ав­томатические пылемеры пе­риодического или непрерывного действия, в которых пробу запылён­ного газа отбирают через специальную трубку. При весовом методе фикси­рованный объём пробы просасы­вают через фильтр из тонково­локни­стых материалов (стеклянных, синтетических или минеральных) или из фильтровальной бумаги и по его привесу находят массу выделен­ной из газа пыли. Концентрацию пыли определяют по отношению массы пыли к данному объёму газа.

К массовым пылемерам относят и радиоизотопные приборы для автоматического измерения концентрации пыли по приросту массы осадка на фильтре. Их действие основано на пропускании b- или g-из­лучения через предварительно запылённый фильтр и нахождении сте­пени поглощения этого излучения. Их непрерывная работа достигается применением движущихся ленточных стекловолок­нистых фильтров.

В фотометрических (оптических) пылемерах, используемых в ос­новном для анализа атмосферного воздуха, массу пыли оценивают по интенсивно­сти света, рассеянного (поглощенного) осадком на фильтре (обычно ленточном). Для контроля концентраций промышленных пылей чаще всего применяют оптические пылемеры, действие которых основано на по­глощении или рассеянии светового пучка, пропущен­ного через слой запылённого газа. В первом случае луч света от источ­ника проходит через газовый поток и, будучи ослаблен­ным за счёт по­гло­щения частицами пыли, попадает на один из двух фотоприёмников. Одновременно на другой фотоприёмник падает луч сравнения. При мостиковой схеме соединения обоих фотоприёмников возникает сиг­нал рассогласования, который является функцией степе­ни поглощения пучка света, то есть площади поверхности частиц пыли в по­токе.

Отличие пылемеров, измеряющих общее рассея­ние света запы­лённым газовым потоком, состоит в том, что на фотоприёмник посту­пают световые импульсы, рассеянные отдель­ными частицами пыли. Оп­тические пылемеры – это автоматические при­боры, требующие ка­либровки для каждого вида пыли, так как их показания зависят от её дисперсного состава и оптических свойств.

Применение инфракрас­ного излучения позволяет снизить нижний предел измерений таких пылемеров с 30-50 мг/м³ до 10 мг/м³.

Есть довольно много автоматических пылемеров (контактно-электрические, индукционные, емкостные), в которых непрерывно от­бираемую пробу газа анализируют без получения пылевого осадка.

Наиболее просты контактно-электрические пылемеры, действие которых основано на приобретении частицами пыли при трении о внут­реннюю поверхность трубки (обычно пластмассовой) электричес­кого заряда (его величина пропорциональна площади поверх­ности частиц). Их недостаток - зависимость концентра­ции пыли не только от распределения частиц по размерам, но и от их электрических свойств.

В индукционных пылемерах заранее заряженные части­цы пыли пропускают через измерительную камеру со специ­альным электродом, на котором индуцируется заряд, служащий мерой общего заряда час­тиц, определяемого площадью их поверхности и, значит, мерой концентрации при условии постоянства дисперсного со­става пыли.

В емкостных пылемерах запылённый воздух просасывают через трубку, внутри которой установлено устройство в виде двух пластин, между которыми помещена сетка, находящаяся под напряжением. Устройство включено в контур генератора, частота колебаний которо­го f изменяется по мере осаждения частиц на сетке. Поэтому измене­ние f является мерой массы осаждённой пыли.

Для измерения низких (до нескольких мг/м³) концентраций пыли, присутствующей в основном в атмосферном воздухе, применяют фо­тоэлектрические счетчики, в которых запылённый воздух пропускают через освещённую зону (до нескольких мм³) и с помощью фотоумножителя регистрируют световые импульсы, рассеянные от­дельными частицами под углами до 90°. Эти импульсы преобразуются в импуль­сы напряжения, которые посредством электронной схемы сортируются по амплитудам на несколько диапазонов в соответствии с размерами частиц. Благодаря такой сортировке в этих пылемерах с рассеянием под малыми углами (несколько градусов) снижается влия­ние различ­ных факторов на показания счётчика, который без специ­альной калиб­ровки одновременно определяет концентрацию и раз­меры частиц (в интер­вале от 0,3 до 20 мкм).

При концентрациях пыли более не­сколь­ких мг/м³ запылённый воздух предварительно разбавляют чистым. Одно из акту­альных направлений развития таких счётчиков - объеди­нение их с микропроцессорной системой, позволяющей пол­ностью ав­томатизи­ро-вать подсчёт частиц при одновременном определе­нии их раз­меров, по­верочную калибровку приборов и выдачу данных в компакт­ном виде (на цифровом печатающем устройстве или на магнит­ном носителе).

В данной лабораторной работе определяется концент­рация пыли в воздухе весовым методом на имитационной установке ОТ-1 (рис. 1).

Данная установка ОТ-1 состоит из пылевой камеры, в которой модели­руется запылённое производственное помещение, и приборного отсека 2, в котором находятся: электроаспиратор, реометры, ручки управле­ния, двигатель вентилятора и аллонж (воронка с фильтром).

Рис. 1. Схема имитационной установки ОТ-1: 1 – пылевая камера; 2 – приборный отсек; 3 – бункер-дозатор; 4 – отверстие для отбора пробы; 5 – окно для визуальной оценки запылённости; 6 – аллонж (воронка с фильтром); 7, 8 – ручки управления

Устройство пылевой камеры следующее. В передней открываю­щейся дверце камеры есть два отверстия: бункер-дозатор, в кото­рый засыпается исследуемая пыль, и отверстие для отбора пробы, а также окно для визуальной оценки запылённости. Внутри камеры име­ется вентилятор для перемешивания пыли, поданной из дозатора с воздухом. Здесь же расположено оптическое световое устройство, позволяющее визуально (зрительно) определять наличие пыли в камере.