3.2.2 Приборы для определения распределения частиц аэрозолей по размерам

В использованных спектрометрах заложены нефелометрический и диффузионный методы определения размера частиц аэрозолей. Оба типа измерений являются контактными, зондовыми. Результат измерений, следовательно, зависит от условий отбора пробы аэрозоля, попадающей в счетный объем счетчика. Любой отбор пробы искажает микроструктуру аэрозоля, т.е. сказывается на ее представительности.

Фотоэлектрические счетчики. В них используется фотоэлектрический метод регистрации частиц аэрозоля, основанный на зависимости интенсивности света, рассеянного частицей, от ее размера. Частицы аэрозоля, поочередно пролетающие через освещенный измерительный объем прибора, рассеивают свет. Интенсивность рассеянного частицей света зависит от ее размера. Вспышка света, рассеянного частицей при пересечению светового луча, собирается на фотоприемнике и преобразуется в импульс электрического напряжения, амплитуда которого пропорциональна интенсивности рассеянного света и, следовательно, пропорциональна размеру частицы. Количество регистрируемых импульсов соответствует числу частиц, прошедших через измерительный объем.

Счетчик оптико-электронный аэрозольный ОЭАС-05.

Оптическая схема счетчика приведена на рисунке 3.2. В качестве источника света в счетчике использована малогабаритная лампа КГМ-6,3-15, фотоприёмником является фотоэлектронный умножитель ФЭУ-69. Измерительный объем находится внутри рабочей камеры оптического блока и формируется как объем, образованный пересечением струи аэрозоля из системы напуска со световым лучом. Излучение от лампы КГМ-6,3-15 с помощью объективов и диафрагмы преобразуется в световой луч. Перпендикулярно световому лучу в направлении “сверху-вниз” из системы напуска поступает струя воздуха с частицами аэрозоля. Измерительный объем формируется как область пересечения светового луча и струи аэрозоля. Оптическая ось системы объектив – фотоприемник перпендикулярна плоскости, в которой расположены световой луч и струя аэрозоля.

1,6,8 – объективы; 5 – источник излучения; 7,2 – диафрагмы; 9 – частица;

10 – световая ловушка; 3 – приемник излучения

Рисунок 3.2 – Оптическая схема ОЭАС-05

Отбор аэрозольной пробы из воздушной среды и покачивание ее через систему напуска рабочей камеры оптического блока производится пневматическим блоком. Сигнал с фотоприемника оптического блока подается на вход электронного блока анализа, представляющего собой 10-ти канальный амплитудный анализатор с микропроцессорным управлением. Номера каналов одновременно регистрируемых частиц аэрозоля и соответствующие им размеры частиц указаны в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Номера каналов и размеры регистрируемых частиц ОЭАС

Номер канала	Границы поддиапазона, мкм
0	от 0,5 и более (сумма)
1	0,5-0,7
2	0,7-1,0
3	1,0-1,5
4	1,5-2,0
5	2,0-3,0
6	3,0-5,0
7	5,0-10,0
8	10,0-20,0
9	более 20,0

Счетчик частиц рассчитан на работу в автономном режиме и под управлением персонального компьютера (ПЭВМ). Количество импульсов, зарегистрированных счетчиками импульсов в каждом канале, выдается на цифровое табло счетчика и одновременно на разъемы последовательного интерфейса RS-232, соединенного с внешней ПЭВМ. При работе под управлением ПЭВМ счётчик работает в циклическом режиме по заданным исходным данным, периодичность включения отбора аэрозольной пробы и измерения счетной концентрации – не реже 1 раза 10 минут.

Пневматическая система обеспечивает отбор аэрозольной пробы и подачу ее с заданной объемной скоростью 1,2 дм³/мин (1200 см³/мин) в измерительный объем. Объем единичной аэрозольной пробы, отбираемой на анализ – 100, 200 и 1000 см³. 06ъемный расход воздуха устанавливается регулятором расхода и контролируется ротаметром. Анализируемый аэрозоль подается в рабочую камеру оптического блока в виде ламинарной струи, обдуваемой чистым фильтрованным воздухом.

Структурная схема счетчика представлена на рисунке 3.3.

1 – ПЭВМ; 2 – электронный блок анализа; 3 – оптический блок; 4 – блок питания ФЭУ; 5 – блок питания лампы КГМ; 6 – пневматический блок; 7 – блок внешнего контроля

Рисунок 3.3 – Структурная схема ОЭАС-05

Диапазон измерений счетной концентрации частиц аэрозоля в указанных каналах – от 1 до 10⁶ частиц/дм³, т.е. до 10³ частиц/см³. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения счетной концентрации частиц аэрозоля при количестве измеренных частиц в канале не менее 100, – ± 20 %.

Собственный фон счетчика в рабочих условиях применения в каналах 0 и 1, не более 1.

Спектрометр аэрозольный лазерный ЛАС-П.

Оптическая схема счетчика представлена на рисунке 3.4. В спектрометре ЛАС-П в качестве источника света использован лазерный диод (длина волны излучения 0,65 мкм) и фотоприемник ФЭУ-69. Измерительный объем находится внутри рабочей камеры и формируется как объем, образованный пересечением струи аэрозоля из системы напуска с лазерным лучом. На камере, под углом 135º к направлению лазерного луча, установлен объектив, собирающий излучение, рассеянное частицами в телесном угле 60º, и фокусирующий его на фотоприемник через полевую диафрагму.

1 – световая ловушка; 2 – система напуска аэрозоля; 3 – излучатель;

4 – объектив; 5 – полевая диафрагма; 6 – фотоприемник

Рисунок 3.4 – Оптическая схема ЛАС-П

Количество поддиапазонов (каналов) по размерам регистрируемых части аэрозоля – 10. Номера каналов и соответствующие им границы поддиапазонов по размерам peгистрируемых частиц указаны в таблице 6.

Таблица 3.3 – Номера каналов и и размеры регистрируемых частиц ЛАС-П

Номер канала	Границы поддиапазона, мкм	Номер канала	Границы поддиапазона, мкм
1	от 0,15 до 0,20	6	от 0,50 до 0,70
2	от 0,20 до 0,25	7	от 0,70 до 1,0
3	от 0,25 до 0,30	8	от 1,0 до 1,5
4	от 0,30 до 0,40	9	от 1,5 и более
5	от 0,40 до 0,50	нулевой канал	от 0,15 и более (сумма)

Максимальная измеряемая счетная концентрация частиц аэрозоля, обеспечивающая погрешность из-за совпадений частиц не более 5 % – до 10⁶ частиц/дм³, т.е. до 10³ частиц/см³. Пределы допускаемой относительной погрешности счета импульсов – ±0,1 %.

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения счетной концентрации частиц аэрозоля с диаметрами от 0,15 мкм и более (каналы 0,1 – 9), в диапазоне счетной концентрации от 10 ^-3 до 10 ^-1 л ^-1 , при измеренном количестве частиц в канале не менее 100, – ± 25 %.

Собственный фон спектрометра, при объеме отбираемой на анализ аэрозольной пробы 100 см³: в каналах «от 0,15 мкм и более» и « от 0,15 до 0,20 мкм» - не более 1 импульса; - в остальных каналах собственный фон отсутствует.

Объем аэрозольной пробы, отбираемой на анализ – 10; 20; 50; 100; 200 cм³. Объёмная скорость прокачки аэрозоля – 60 см³/мин. Пределы допускаемой относительной погрешности измерения объема аэрозольной пробы, отбираемой на анализ – ±5 %.

Структурная схема счетчика приведена на рисунке 3.5.

1 –ПЭВМ; 2 – блок питания ФЭУ; 3 – блок анализа; 4 – блок датчика аэрозоля; 5 – пневматический блок; 6 – блок питания лазерного диода

Рисунок 3.5 – Структурная схема ЛАС-П

Диффузионный аэрозольный спектрометр ДАС модель 2702.

Принципиальная схема измерения заключается в пропускании потока с аэрозолями через диффузионные батареи с известной геометрией, представляющие собой ряд сеточек, на которых осаждаются высокодисперсные частицы, содержащиеся в потоке, и определении через них проскока. Измеряются концентрации аэрозоля после прохождения через каждую из диффузионных батарей, которых в данном приборе пять, и через канал без батарей (нулевую батарею). Проскок определяется как отношение концентраций потока с аэрозолем после прохождения через каждую из диффузионных батарей к концентрации после прохождения через нулевую батарею. После этой процедуры полученная экспериментальная кривая проскоков (зависимость проскока от числа диффузионных батарей) коррелируется под теоретическую зависимость (проскок сравнивается с расчетным, расчетный размер определяется полуэмпирическим методом). Определяется среднее значение коэффициента диффузии частиц и ширина соответствующего распределения по коэффициентам диффузии. Скорость осаждения зависит от коэффициента диффузии частиц в газе, а диффузия однозначно связана с размером частиц. На основании этого сопоставления рассчитывается распределение по размерам частиц в диапазоне от 3 до 200 нанометров (0,003-0,2 мкм).

Малый размер частиц, прошедших через диффузионные батареи, исключает их прямой замер оптическим счётчиком (в этом приборе используется лазерный аэрозольный счётчик, чувствительность которого составляет 0,25 мкм). Для того чтобы определить концентрацию этих частиц, в приборе предусмотрено их укрупнение до размера, при котором их можно регистрировать оптическим счетчиком. Прибор включает узел предварительного укрупнения аэрозолей, установленный перед входом в оптический счётчик частиц. В нем на высокодисперсных аэрозольных частицах конденсируются пары низколетучего вещества – минерального масла. После пропускания мелкодисперсного аэрозоля через зону насыщенных паров и конденсационного роста до оптически активного размера, их концентрация определяется прямым замером при помощи оптического счетчика.

Прибор может работать в трёх режимах. Первый режим позволяет производить замеры частиц в субмикронном диапазоне (от 0,25 мкм) без дифференцирования их по размерам. Второй режим работы прибора, является режимом счётчика ядер конденсации, позволяющим измерять все частицы с размерами от 3 нм без дифференцирования их по размерам. Третьим режимом является режим работы прибора в формате диффузионного спектрометра, позволяющим получать распределение частиц по размерам в диапазоне от 3 до 200 нм. Оптимальный расход аэрозоля 0,5 литра в минуту. Общее время одного замера составляет одну минуту. Распределение частиц по размерам демонстрируется в интервале размеров с шагом в 5 нм, а также подсчитывается общая концентрация частиц, средний размер и ширина распределения. Предел измеряемых концентраций: 50000 частиц в см³, т.е. 510⁴ частиц в см³. Прибор измеряет также влажность, температуру и давление окружающего воздуха. Структурная схема прибора приведена на рисунке 3.6.

V – клапаны; T – датчики температуры; FL – расходомеры ;VP –вакуумный насос; DV – дренажный клапан; DEL – датчик атмосферного давления

Рисунок 3.6 – структурная схема ДАС