Фотометрический метод. Этот метод измерения основан на предварительном осаждении частиц пыли на фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Метод включает операции, аналогичные весовому методу, но вместо взвешивания пылевого осадка проводят его фотометрирование. Оптическую плотность пылевого осадка можно определять путем измерения поглощения или рассеяния им света.
Измерение оптической плотности пылевого слоя по поглощению света основано на определении интенсивности света I, прошедшего через слой:
I=I0exp(-εCl) (3.11)
где I0 – интенсивность начального светового потока; С – концентрация пыли, накапливаемой на фильтре; ε – показатель поглощения света, приходящейся на единицу концентрации пыли; l – толщина слоя пыли.
Оптическая плотность D пылевого слоя равна:
D=lg(I0/I)=0,434εCl (3.12)
Поскольку при осаждении пыли на фильтр изменяются как концентрация ее С, так и толщина слоя l, то при измерении оптической плотности пылевого слоя можно определить только суммарную величину Сl, являющуюся поверхностной концентрацией Спов пыли на фильтре:
Cпов=Cl
Отсюда
D=0,434εCпов (3.13)
т. е. между оптической плотностью образовавшегося пылевого слоя и поверхностной концентрацией пыли существует линейная зависимость. Измерив D и зная показатель поглощения ε, можно определить Спов:
Спов=D/(0,434ε) (3.14)
Концентрация пыли может быть также определена через коэффициент пропускания τ=I/I0, который связан с оптической плотностью следующим выражением: D=lg(1/τ). Подставив значение D в уравнение (3.14), получим:
Cпов=lg(1/τ)/(0,434ε) (3.15)
Поверхностную концентрацию пылевого слоя можно определить и путем измерения интенсивности рассеянного им света. Рассмотрим зависимость между поверхностной концентрацией, пыли, осевшей на фильтре, и интенсивностью рассеянного ею света. Предположим, что частицы пыли диаметром d имеют сферическую форму и площадь проекции частицы на плоскость фильтра равна а =πd2/4. Введем коэффициент незаполненности W поверхности фильтра при наличии на нем N частиц пыли [38]:
W=Sф-SN/Sф=(1-a/Sф)N (3.16)
где SN – площадь фильтра, заполненного N частицами.
Так как Sф >>a и для круглого фильтра диаметром DфSф=πDф2/4, то
W=(1-a/Sф)N≈exp(-aN/Sф)=exp[-(d/Dф)2N] (3.17)
Если число частиц, осевших на фильтре при отборе пробы, выразить через массовую концентрацию пыли в контролируемом пыле-газовом потоке:
N=6VC/(πρчd3)
где V — объем пыле-газового потока, прошедшего через фильтр при отборе пробы, то для коэффициента незаполненности фильтра можно записать следующее выражение:
W=exp[-6CV/(πdDф2ρч)] (3.18)
Отсюда массовая концентрация пыли составит:
Поверхностная концентрация выразиться уравнением:
Спов=CV/Sф=2/3ρчdln(1/W) (3.20)
Интенсивность света, рассеянного поверхностью фильтра с осажденной на нем пылью, равна
Iрас=Iрас,фW+Iрас,п(1-W) (3.21)
где Iрас,ф и Iрас,п – интенсивность света, рассеянного чистым фильтром и пылевым осадком соответственно.
Учитывая (3.20) и (3.21), получим
Проведены экспериментальные исследования [39] зависимости между поверхностной концентрацией пылевого осадка и интенсивностью прошедшего и рассеянного света для атмосферной пыли. Пробы отбирали одновременно на мембранные фильтры для весового анализа и бумажные фильтры для оптических измерений. Получены линейные зависимости между Спов и интенсивностью прошедшего и рассеянного света (рис. 3.2). Коэффициент корреляции для прошедшего света равен 0,93, для рассеянного - 0,89. Первый метод более точный, однако второй метод обладает большей чувствительностью и применим для определения малых поверхностных концентраций пыли.
Исследования угольной пыли фотометрическим методом показали [40], что точность измерения концентрации для частиц размером менее 7 мкм равна 䔮%, для чаcтиц с широким интервалом изменения их размеров она составляет 䕂%.
|
|
Рис 3.2. Зависимость между поверхностной концентрацией пыли на фильтре и интенсивностью света, прошедшего через фильтр (1) и рассеянного частицами пыли (2). |
Рис. 3.3. Изменение оптической плотности по длине ленточных фильтров: а - НЭЛ; б — целлюлозно-бумажного; в — ЛФС; г — мембранного. |
К фильтру, используемому при фотометрических измерениях, предъявляются следующие требования [41]. Фильтр должен обладать высокой механической прочностью. Оптическая плотность его должна существенно отличаться от оптической плотности пыли и быть одинаковой по всей длине фильтра.. На рис. 3.3 показано изменение оптической плотности для фильтров НЭЛ, целлюлозно-бумажного, ЛФС и мембранного по их длине. Наибольшей оптической неоднородностью, а также плохими фильтрующими свойствами обладают целлюлозно-бумажные фильтры. Мембранные фильтры характеризуются высокой эффективностью фильтрации, достаточной механической прочностью и более равномерными по сравнению с целлюлозно-бумажными оптическими свойствами. Однако эти фильтры обладают высоким гидравлическим сопротивлением. Кроме того, крупные частицы не удерживаются на фильтре и ссыпаются. Повышенным качеством обладают полимерные тонковолокнистые фильтры типа НЭЛ и ЛФС. Для них характерны пы сокая эффективность фильтрации при больших скоро стях аспирации, малое гидравлическое сопротивление и достаточная механическая прочность, по оптической однородности они значительно превосходят мембранные фильтры. Ниже приведены основные технические характеристики фильтров НЭЛ и ЛФС:
| Фильтры | ||
|---|---|---|
| НЛЭ | ЛФС | |
| Сопротивление при скорости воздуха 0,006 л/мин, см2/Па | 0,2-3,0 | 0,2-3,0 |
| Коэффициент проскока, % | 10 | 5 |
| Поверхностная плотность ленты, мг/см2 | 0,2-3,0 | 0,2-3,0 |
| Диаметр волокна, мкм | 1,5 | 0,5 |
| Рабочая температура, оС | до +50 | до +50 |
Сравнительные исследования оптических свойств фильтров показали [42], что фильтры лучше отражают свет, чем пропускают, белизна фильтра вдоль его длины изменяется значительно меньше, чем его оптическая плотность (всего на 0,9%). Наибольшей равномерностью белизны обладают мембранные ультрафильтры и фильтровальная бумага. Колебание белизны для этих фильтров соответствует поверхностной концентрации пыли, равной 0,15-10-3 мг/см2. Отмеченные свойства фильтров указывают на предпочтительность измерения концентрации пыли по интенсивности рассеянного света.
Основной недостаток фотометрического метода, связан с тем, что прозрачность пылевого осадка существенно зависит от цвета частиц и их оптической плотности. Согласно данным работы [43], погрешность, обусловленная изменениями цвета и оптической плотности частиц, может быть значительно уменьшена, если использовать свет с длиной волны 0,36-0,39 мкм.
Люминесцентный метод. Для определения концентрации пыли в атмосферном воздухе используют осаждение ее на фильтр, обработанный определенными флуоресцирующими растворами, и последующее измерение интенсивности излучения флуоресценции. Для исключения влияния изменения флуоресцентных свойств фильтра измеряют интенсивность флуоресценции фильтра до и после осаждения на нем пылевого осадка. Получена линейная зависимость между поверхностной концентрацией пыли Спов и отношением интенсивностей излучения флуоресценции чистого фильтра и фильтра с пылевым осадком (рис. 3.4) [44]. Осевшая пыль вызывает тушение флуоресценции, причем имеет место линейная зависимость между тушением флуоресценции и поверхностной концентрацией , пыли, которая аппроксимируется следующим уравнением:
I0,фл/Iфл=0,948+0,059Спов (3.23)
Достоинством люминесцентного метода являются высокая чувствительность и широкий интервал измеряемых концентраций (порядка 109).
Рис. 3.4. Зависимость между поверхностной концентрацией пыли и отношения интенсивностей излучения флоуресценции чистого фильтра Iо,фл и фильтра с пылевым осадком Iфл.