Устройство для измерения заряда в воздушном потоке

 

Использование: в метеорологии, гигиене , физике атмосферы для измерения зарядов в потоках аэродисперсных частиц, в частности для оценки опасности статического электричества в аэродисперсных средах. Цель: повышение точности и информативности измерений. Сущность изобретения: устройство содержит: измерительный электрод (1), электрометр (2), экранирующий электрод (3). электродвигатель (4). металлические пластины (5 и 6), источник света (8). конденсор (9), полупрозрачное зеркало (10), защитные стекла (11 и 12), форкусирующие линзы (13 и 18), фотоприемные модули (14 и 19), детекторы (15 и 20), логарифмический усилитель (16), аналоговый делитель (21) и регистратор (22). ИСХ 8-9-10-11-5-6-12-13- 14-15-16-21-22, ИСХ 10-3-18-19-20-16. ИСХ j-i-2-21, ИСХ 4-3. Положительный эффект. Повышение примерно в 4 раза точности измерений заряда, получение информации об удельном заряде, приходящемся на одну частицу . 1 ил.

союз советских социмистических

РЕСПУБЛИК ()9) (1)) (3!)3 G 01 R 29/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТ0РСК0МУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4872453/21 (22) 09.08.90 (46) 23.09,92. Бюл..hb 35 (71) Башкирский государственный университет им. 40-летия Октября и Ленинградский государственный университет (72) Б.К.Сушко, P,З.Бахтизин и Л.С,Ивлев (56) 1. Абрамян В.К., Авакян B,Â., Айрапетян

Г.Т. и др. Устройства для контроля уровня электризации в аппаратах с двухфазной системой газ — твердые частицы, — Измерительная техника, 1978, hL 5, с. 72-74, рис. 1.

2. Саранчук В.И., Рекун В.B. и Поздняков Г.А. Электрические поля в потоке аэрозолей. — Киев: Наукова думка, 1981, с. 6-12.

3. Авторское свидетельство СССР

М 1228047, кл. G 01 R 29/24, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ 3АРЯДА В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ (57) Использование: в метеорологии, гигиене, физике атмосферы для измерения заря1ОУ =n и

In дов в потоках аэродисперсных частиц. в частности для оценки опасности статического электричества.в аэродисперсных средах.

Цель; повышение точности и информативности измерений. Сущность изобретения; устройство содержит: измерительный электрод (1), электрометр (2), экранирующий электрод (3). электродвигатель (4). металлические пластинй (5 и 6), источник света (8), конденсор (9), полупрозрачное зеркало (10), защитные стекла (11 и 12), форкусирующие линзы (13 и 18). фотоприемные модули (14 и

19), детекторы (15 и 20), логарифмический усилитель (16), аналоговый делитель (21) и регистратор (22). ИСХ 8-9-10-11-5-6-12-1314-15-16-21-22, ИСХ 10-3-18-19-20-16, ИСХ ж-2-21, ИСХ 4-3. Положительный эффект.

Повышение примерйо в 4 раза точности измерений заряда, получение информации об удельном заряде, приходящемся на одну частицу. 1 ил, 1763998

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для

- измерения зарядов в потоках аэродисперсных частиц, например для оценки опасности статического электричества в аэродисперсных средах.

Известны измерители напряженности электростатических полей в аэродисперсных средах с эондовым датчиком (1).

Однако, из-за утечек по входным цепям усилителя постоянного тока, такие устройства не позволяют осуществлять непрерывный контроль за изменением значения заряда.

Известно также применение динамического индукционного электрометра для измерения электростатического заряда в аэродисперсных средах (2).

Недостаткам такого измерителя является сложность, интерпретации получаемых данных, так как градуировка устройства проводится обычно в поле плоского конденсатора, конфигурация силовых линий которого значительно отличается от конфигурации линий полл аэроэольного облака. Этот недостаток устраняется введением датчика с плоскопараллельными заземленными пластинами.

Наиболее близким по технической сущ. ности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения заряда воздушного потока (3), содержащее измерительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с электрометром, и выполненный в виде диска экранирующий электрод, укрепленный на валу электродвигателя и соединенный с нулевой шиной, причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины, .укрепленные в параллельных плоскостях, при этом нижняя пластина и экранирующий электрод расположены в одной плоскости.

Недостатком известного устройства является низкая точность и информативность

"измерений значения заряда аэродйсперсных частиц, связанная с неконтролируемыми процессами теппообмена в потоке, приводящими к значительной неравномерности распределения концентрации частиц как по оси, так и по сечению потока, и к значительным флуктуациям показаний измеряемого заряда. При этом в каждый момент времени измеряется случайная реализация заряда. значительно отличаюЩаяся от последующих реализаций.

Таким образом, измеряемое значение заряда зависит от неконтролируемой в процессе измерений и изменяющейся в широких пределах концентрации частиц. В то же время для характеристики эффективности процесса зарядки частиц в технологических процессах очень важно знать значение удельного заряда, приходящегося на одну

5 частицу, и отклонение этой величины от среднего значения со временем. Знание значения удельного заряда, приходящегося на одну частицу, значительно повышает информативность проводимых измерений.

10 Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений, Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения заряда в воздушном потоке, содержащее изме15 рительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с эпектрометром,и выполненный в виде диска экранирующий электрод, установленный на валу

20 электродвигателя и соединенный с нулевой шиной, причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины. укреплен- ные в. параллельных плоскостях

25 дополнительно введены источник света и оптически связанные конденсор, полупрозрачное зеркало, первое и второе защитные стекла, первая фокусирующая линза и первый фотоприемный модуль, выход которого

30 через первый детектор соединен с первым входом логарифмического усилителя, а также оптически связанные с полупрозрачным зеркалом, вторая фокусирующая линза и второй фотоприемный модуль, выход кото35 рого через второй детектор соединен со вторым входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входоманалогового делителя, второй вход которого соединен с выходом электрометра, а выход

40 аналогового делителя соединен с регистратором, при этом первое защитное стекло укреплено на первой заземленной металлической пластине параллельно экранирующему электроду, вторая металлическая

45 пластина выполнена с отверстием, закрытым вторым защитным стеклом, а на экранирующем электроде соосно с ним укреплена пустотелая цилиндрическая оболочка с прорезями, расположенными с возможностью

50 модуляции светового луча, отраженного от. полупрозрачного зеркала.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения заряда в воздушном потоке.

55 Устройство содержит измерительный электрод 1, через нагрузочное сопротивление R соединенный с электрометром 2, зкранирующий электрод 3 с секторными вырезами, укрепленный на валу электро° двигателя 4, а также верхнюю 5 и нижнюю

1763998 (2) р- еоЕ/h, (3) Ui =k k> (4) у- и 0 А, 6 пластины, соединенные проводящими стойками 7 с нулевой шиной, Пластины 5 и

6 разнесены на расстояние h, а экранирующий электрод 3 и пластина 6 расположены в одной плоскости. Измерительный 1 и эк- 5 ранирующий 3 электроды снабжены секторными вырезами, Источник света 8 и размещенные по ходу светового луча конденсор 9, полупрозрачное зеркало 10, защитные стекла 11 и 12, фокусирующая 10 линза 13 и фотоприемный модуль 14 образуют оптический абсорбционный измеритель концентрации аэродисперсных частиц с измерительным объемом, совпадающим с рабочей зоной устройства для измерения 15 заряда, через которую проходит световой луч источника света 8. Пластины 5 и 6 расположены по ходу луча в промежутке между защитными стеклами таким образом, что экранирующий электрод 3 при своем вра- 20 щении модулирует световой поток источника света 8. Фотоприемный модуль 14 через детектор 15 соединен с первым входом логарифмического усилителя 16. Размещенные по ходу светового луча. отраженного от. 25 полупрозрачного зеркала 10. пустотелая цилиндрическая оболочка 17 с прорезями, закрепленная на экранирующем электроде 3 с возможностью модуляции светового луча: при вращении электродвигателя 4, а также 30 вторая фокусирующая линза 18 и второй фотоприемный модуль 19 образуют опорный канал оптического абсорбционного измерителя концентрации аэродисперсных частиц. Выход второго фотоприемного мо- 35 дуля 19 через детектор 20 соединен с вторым входом логарифмического усилителя

16, выход которого соединен с первым входом аналогового -делителя 21; Второй его вход соединен с выходом электрометра 2. К 40 выходу аналогового делителя 21 подключен регистратор 22.

Устройство работает следующим образом.

Зкранирующий электрод 3 приводится 45 во вращение электродвигателем 4, он попеременно экранирует и экспонирует измерительный: неподвижный электрод 1. При отсутствии заряженных аэрозолей между пластинами 5 и 6 внутри ограниченной ими 50 рабочей зоны образуется зквипотенциальный объем нулевого потенциала, при этом потенциал электрода 1 также будет равен нулю. При прокачивании через рабочую зону заряженных аэрозолей, в эквипотенци- 55 альном обьеме появляется электрическое поле, вызванное зарядом аэрозолей. Поток вектора напряженности электростатического поля заряженных аэрозолей модулируется зкранирующим электродом 3 с частотой

f, в результате во входных цепях электрометра 2 появляется периодический сигнал, пропорциональный напряженности электростатического поля Е. Среднее (за период) напряжение, действующее на входе электрометра, можно определить по формуле:

U2 ео Е S f R где е — электрическая постоянная;

S — эффективная площадь измерительной пластины;

f — частота модуляции сигнала;

R — входное сопротивление электромет- ра, Плотность р объемного заряда аэрозолей определяется формулой где h — расстояние между пластинами 5 и 6.

Напряжение U в электрометре 2.усиливается и детектируется. Напряжение Ui на выходе электрометра 2 с учетом формул 1 и 2 равно: где k — коэффициент усиления электрометра;

° k> — коэффициент пропорциональности.

Световой поток от источника света 8 коллимируется коллиматором 9, проходит через полупрозрачное зеркало 10. модулируется при вращении экранирующего электрода 3 и проходит через рабочий объем между пластинами 5 и 6, поступая ва фокусирующую линзу 13 и затем на фотоприемный модуль 14. Находящиеся в рабочем объеме аэрозольные частицы ослабляют и рассеивают проходящий сквозь них световой поток. Если величина исходного светового потока — lo, то прошедший через слой пылегазовой среды толщиной h световой поток (согласно закона Бугера-ЛамбертаБера равен: где у- коэффициент ослабления света, .В свою очередь. у выражается формулой где и — концентрация частиц;

Оем — фактор эффективности экстинкции;

1763998

5

50

А — сечение рассеяния света, для сферических частиц где d — диаметр частицы.

Величина Q

d -log !, или и Qex А д=-! о !

= log —, отсюда ! о

n=kz . !о9 —, l ! о (6) где kz — коэффициент пропорциональности, Полупрозрачное зеркало 10 делит проходящий через него свет на два пучка— рабочий, поток I. проходящий через рабочий объем, и опорный. модулирующийся при вращении цилиндрической оболочки 17 с прорезями и регистрируемый фотоприемным модулем 19, сигнал с выхода которого пропорционален Io. Сигналы фотоприемных модулей 14 и 19 выпрямляются детекторами

15 и 20 и логарифмируются в блоке логарифмического усилителя 16, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный логарифму отношения log I/! (6). Логарифмический усилитель такого типа описан в книге: Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И, — Применение прецизионных аналоговых ИС. — M,: Радио и связь, 1981. — С.

91-101.

С выхода логарифмического усилителя сигнал, пропорциональный логарифму отношения световых потоков, или, что то же самое, пропорциональный концентрации частиц (см. выражение (6) ) поступает на первый вход аналогового перемножителяделителя. На второй его вход с выхода электрометра поступает сигнал, пропорциональный значению объемного заряда аэрозолей (см. выражение(3)), На выходе аналогового перемножителя-делителя появляется сигнал, значение которого U x пропорционально отношению выражений (3) и (7);

Usux =кз — = з Р— з "Фл тз

u! kk k2

log—

lo где 1з и 5 — коэффициенты пропорциональности.

Таким образом на выходе блока 21 появляется сигнал, пропорциональный значению заряда, приходящегося на одну частицу. Этот сигнал регистрируется регистратором 22, При подключении дополнительных регистраторов к выходам блоков 2 и 16 может быть получена информация о величинах соответственно объемного заряда и концентрации аэрозолей.

Использование предлагаемого технического решения, в сравнении с известными, позволит! повысить точность измерений за счет уменьшения погреш ности, обусловленной неконтролируемыми процессами тепломассообмена в потоке; повысить информативность измерений за счет получения информации об удельном заряде, приходящемся на одну частицу, а также о концентрации аэрозолей в измеряемой зоне.

Формула изобретения

Устройство для измерения заряда в воздушном потоке, содержащее измерительный электрод, соединенный через нагрузочное сопротивление с электрометром, и выполненный в виде диска экранирующий электрод, установленный на валу электродвигателя и соединенный с нулевой шиной, причем оба электрода снабжены секторными вырезами, а также две заземленные металлические пластины, укрепленные в параллельных плоскостях, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и информативности измерений, в него дополнительно введены источник света и оптически связанные конденсор, полупрозрачное зеркало, первое и второе защитные стекла, первая фокусирующая линза и первый фотоприемный модуль, выход которого через первый детектор соединен с первым входом логарифмического усилителя, а также оптически связанные с полупрозрачным зеркалом вторая фокусирующая линза и второй фотоприемный модуль, выход которого через второй детектор соединен с вторым входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с первым входом аналогового делителя, второй вход которого соединен с выходам электрометра, а выход аналогового делителя соединен с регистратором, при этом первое защитное стекло укреплено на первой заземленной металлической пластине параллельно экранирующему электроду, вторая металлическая пластина выполнена с отверстием, закры17F3998

Составитель Б.Сушко

Редактор М.Кузнецова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П.Герешй

Заказ 3455 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4!5.

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 тым вторым защитным стеклом, а на экранирующем электроде соосно с ним укреплена пустотелая цилиндрическая оболочка с прорезями, расположенными с возможностью модуляции светового луча, отраженного or полупрозрачного зеркала.