Аэрология

Метрологические особенности пылевого контроля. Измерение кон­центрации пыли — трудная метрологическая задача. Это объяс­няется тем, что пыль представляет собой сложную систему, кото­рую нельзя описать одним или двумя параметрами. Пыль в основ­ном имеет полидисперсный характер (размеры частиц изменяются от 10~² до 10² мкм, а концентрация пыли — от 10~⁸ до 10⁵ мг/м³). Кроме того, форма и физико-химические свойства частиц пыли мо­гут быть разнообразными. Следует учитывать и изменение свойств пыли во времени. Все это исключает возможность разработки универсального метода измерения концентрации пыли. Известные аналитические методы можно использовать для количественного контроля пыли только в узком интервале концентраций. В отличие ют газоанализаторов, которые основаны как на химических, так и на физических методах измерения, в пылемерах применяются только физические методы. Выделение частиц пыли из пыле-газо-вой смеси, являющейся неустойчивой аэродисперсной системой, возможно методом фильтрации (с использованием центробежных, инерционных и электростатических сил) и методом термодиффу­зии. Метод фильтрации получил наибольшее применение при опре­делении концентрации как атмосферной пыли и пыли производ­ственных помещений, так и пыли в отходящих промышленных га­зах. Он основан на пропускании через фильтр определенного объема исследуемого воздуха при помощи аспирационного устрой­ства. Выделение взвешенных частиц пыли с помощью центробеж­ных сил осуществляется в циклоне. Инерционное осаждение ча­стиц пыли основано на использовании кинетической энергии, при­обретаемой частицей при прохождении ее через сопло. Выделение взвешенных частиц пыли с помощью электростатических сил ос­новано на способности заряженных частиц перемещаться в элек­трическом поле. Для зарядки частиц пыли используется коронный разряд, создаваемый при высоком напряжении. Выделение взве­шенных частиц пыли методом термодиффузии основано на их способности двигаться от теплой к холодной поверхности и осаж­даться на ней. Сила, действующая на частицу в поле температур­ного градиента, пропорциональна диаметру частицы и темпера­турному градиенту. С увеличением теплопроводности частиц она уменьшается. Методами термодиффузии и электростатического осаждения можно выделить частицы пыли крупностью ^0,01 мкм, методом фильтрации — крупностью ^0,1 мкм, методом инерци­онного осаждения —- крупностью >0,5 мкм, методом центробеж­ного осаждения — крупностью >1 мкм.
Различают следующие методы измерения концентрации пыли, основанные на предварительном ее осаждении.

1. 
   Весовой метод, суть которого состоит в выделении из пыле-газозого потока частиц пыли и определении их веса.
   
2. 
   Радиоизотопный метод, основанный на использовании свой­ства радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли.
   

54

3. 
   Оптический метод, суть которого состоит в предварительном осаждении частиц пыли на фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Концентрация пыли в атмосферном воздухе определяется путем осаждения ее на фильтр, обработан­ный флуоресцирующими растворами, и последующего измерения интенсивности светового потока.
   
4. 
   Пьезоэлектрический метод, известный в двух вариантах, ос­нованных на измерении изменений частоты колебаний пьезокри-сталла при осаждении на его поверхности частиц пыли и на под­счете электрических импульсов, возникающих при соударении ча­стиц пыли с пьезокристаллом.
   
5. 
   Метод, основанный на полном улавливании частиц пыли водой и на дальнейшем отделении их от газа. По степени помут­нения воды определяется концентрация пыли в пыле-газовом по­токе, пропускаемом через воду. Мутность образующейся водной суспензии определяется по интенсивности прошедшего через мут­ную воду светового потока, которая сравнивается с интенсивно­стью светового потока, прошедшего через чистую воду.
   
6. 
   Метод, основанный на измерении изменений частоты колеб­лющегося элемента при осаждении на нем пыли.
   
7. 
   Метод, основанный на измерении перепада давления на входе и выходе фильтра при пропуске через него пыле-газового потока с постоянной скоростью. Метод можно использовать для непрерывного измерения концентрации пыли.
   

Для измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждения используются оптические (абсорбционный, голографи-ческий, интегрального светорассеяния и лазерного зондирования),, электрические (индукционный, контактно-электрический, емкост­ной и пьезоэлектрический) и акустический методы. Абсорбцион­ный метод основан на явлении поглощения света при прохождении его через пыле-газовую среду. Метод интегрального светорассея­ния позволяет определять концентрацию пыли по измерению сум­марной интенсивности рассеянного света. Для измерения концент­рации пыли в атмосфере применяется метод счета частиц по ин­тенсивности рассеянного света. Голографический метод основан на получении фраунгоферовой голограммы, представляющей собой наложение дифракционной картины частиц дальнего поля и поля источника света. Метод позволяет получить информацию о кон­центрации и размере частиц и о положении их в пространстве.. Для измерения концентрации атмосферной пыли на больших про­странствах и пыли, выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями, находящимися от места измерения на расстоянии до 10 км, используется метод лазерного зондирования. Индукци­онный метод основан на определении индуцированного на элект­роде измерительной камеры заряда, возникшего при движении через камеру заряженных частиц пыли, а контактно-электрический метод—на способности частиц пыли электризоваться при сопри­косновении с твердым материалом. В основу емкостного метода положено измерение изменения емкости конденсатора при введе-
55

нии частиц пыли между его пластинами. Акустический метод ос­нован на измерении изменений параметров акустического поля при наличии частиц пыли в пространстве между источником и прием­ником звука.
Методы дисперсионного анализа пыли. Различают прямые и косвенные методы дисперсионного анализа. К прямым относятся методы непосредственного измерения размеров частиц с помощью некоторого масштаба (шкалы микроскопа или ячейки сит). К кос­венным относятся методы определения размеров частиц по ка­кому-либо признаку, зависящему непосредственно от размеров (например, по скорости оседания в вязкой среде, скорости раство­рения, отражению света суспензией, адсорбционной способности и др.).
Согласно теории А. Н. Колмогорова, при дроблении распреде­ление частиц по размерам асимптотически приближается к лога­рифмически нормальному закону, т. е. плотность распределения частиц по размерам описывается функцией
п_г - (д/^ln И"¹ exp [(In г - In r_c)²/(2 In² P)],
где п_г — доля частиц пыли размером от г до r + Ar; p — параметр, характеризующий степень рассеивания частиц в зависимости от их размеров; г_с — средний размер частиц, м; я = 3,14.
Экспериментальная проверка этой функции автором показала применимость логарифмического закона распределения к распре­делению частиц по размерам в пылевом облаке при различных производственных процессах в подготовительных и очистных вы­работках угольных шахт.
Вещественный состав пыли зависит от состава разрушаемых пород. В угольных шахтах пыль в основном состоит из угольных и породных частиц. Кроме того, в ее состав входят металлические частицы, образующиеся в результате истирания режущих инстру­ментов.
4. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ШАХТ