устройство для определения концентрации аэрозолей в газах

Формула изобретения

Устройство для определения концентрации аэрозолей в газах, содержащее источник постоянного напряжения, чувствительный и опорный элементы, работа которых основана на поверхностных акустических волнах и каждый из которых состоит из пьезоподложки с участком для осаждения аэрозольных частиц и расположенных на ее рабочей поверхности встречно-штыревых преобразователей, имеющих две контактные площадки, а также автогенераторные усилителя и смеситель, причем каждый усилитель своим входом соединен с контактными площадками преобразователей соответственно чувствительного и опорного элементов, а выходом с входом смесителя и другими контактными площадками преобразователей, отличающееся тем, что по обе стороны преобразователей размещены отражатели резонатора поверхностных акустических волн, выполненные в виде периодических решеток-полосок так, что полоски каждого отражателя и ближайшего к нему преобразователя образуют единую решетку с одним пространственным периодом, расстояние между решетками-полосками равно их периоду, полоски обоих отражателей электрически соединены между собой шинами с обоих концов, а также с полосками преобразователей через одну из контактных площадок каждого из преобразователей, причем автогенераторные усилители включены между неприсоединенными к шинам контактными площадками преобразователей, при этом шины подключены к источнику постоянного напряжения через реле времени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам определения параметров аэрозольных частиц в газах и может быть использовано для контроля запыленности (в том числе задымленности) воздушных сред, потоков.

Известен измеритель запыленности, содержащий пьезорезонансные чувствительные элементы на объемных акустических волнах (ОАВ) измерительный и опорный, включающие каждый пьезоподложку с электродами на ее поверхностях, усилители, соединенные на входе и выходе с этими электродами в автогенераторной схеме частотных датчиков. Эти датчики соединены между собой дифференциально, а именно: выходы усилителей соединены со входами смесителя, выделяющего разность частот датчиков с опорным и измерительным элементом, подаваемую на измеритель частоты. Кроме того, измеритель содержит газоионизирующее приспособление и соединенный с ним и с электродами элементов источник постоянного напряжения. При этом, прошедшие газоионизирующее приспособление заряженные частицы оседают на находящиеся под электрическим потенциалом электроды измерительного элемента под действием электростатических сил и, за счет изменения массы этих электродов, изменяют резонансную частоту указанного пьезорезонансного элемента и, соответственно, выходную частоту автогенератора, включающего элемент и усилитель, а также разностную частоту на выходе смесителя [1]

Однако, чувствительность известного элемента недостаточна, что связано, во-первых с тем, что оседающая пыль изменяет здесь массовую нагрузку только на границах распространяющейся в обойме пьезорезонатора акустической волны. Во-первых с тем, что частоты объемных резонаторов малы и не превышают обычно 10 МГц.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к изобретению являются микровесы для аэрозольных частиц, основанные на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ), выбранные в качестве прототипа. В этих весах в качестве также дифференциально включенных чувствительных элементов использованы ПАВ-линии задержки, включающие каждая пьезоподложку с выполненными на рабочей ее поверхности встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) и с областью оседания аэрозольных частиц между ними. При рабочей частоте 158 МГц эти элементы обеспечивают чувствительность в 266 раз большую чувствительности объемных элементов [2] (Техника ПАВ довольно хорошо описана в [3]

Однако указанная чувствительность также недостаточна.

Цель изобретения повышение чувствительности.

Цель достигается тем, что в устройстве для определения концентрации аэрозолей в газах, содержащим источник постоянного напряжения, чувствительный и опорный элементы, работа которых основана на поверхностных акустических волнах и каждый из которых состоит из пьезоподложки с участком для осаждения аэрозольных частиц и расположенных на ее рабочей поверхности встречно-штыревых преобразователей, имеющих две контактные площадки, а также автогенераторные усилители и смеситель, причем каждый усилитель своим входом соединен с контактными площадками преобразователей соответственно чувствительного и опорного элементов, а выходом со входом смесителя и другими контактными площадками преобразователей. По обе стороны преобразователей размещены отражатели резонатора поверхностных акустических волн, выполненные в виде периодических решеток полосок, так что полоски каждого отражателя и ближайшего к нему преобразователя образуют единую решетку с одним пространственным периодом, расстояние между решетками полосок равно их периоду, полоски обоих отражателей электрически соединены между собой шинами с обоих концов, а также с полосками преобразователей через одну из контактных площадок каждого из преобразователей, причем автогенераторные усилители включены между неприсоединенными к шинам контактными площадками преобразователей, при этом шины подключены к источнику постоянного напряжения через реле времени.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна".

В основе изобретения лежит увеличение чувствительности за счет реализации, в первую очередь, влияния массы осевшей пыли не на сплошную неоднородную область рабочей поверхности между ВШП, как по прототипу, а только на полоски отражателей в ВШП реализации не сплошного, но пространственно-периодического массового нагружения рабочей поверхности. Вклад в это увеличение вносит и использование ПАВ-резонансной структуры в качестве области воздействия, в которой ПАВ многократно проходит эту область.

Заявителю неизвестно использование совокупности признаков отличительной части формулы изобретения в известных технических решениях, в связи с чем предложенное решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено устройство для определения концентрации аэрозолей в газах.

Устройство содержит элементы: чувствительный 1, на который оседают контролируемые аэрозольные частицы 2 и опорный 3, на который эти частицы не оседают. Каждый элемент содержит пьезоподложку 4 и расположенные на ее рабочей поверхности две периодические решетки 5, составляющие всю поверхностную ПАВ-резонансную структуру, слева от оси симметрии выносной 5 показан внутренний край решетки, справа внешний; каждая из решеток, в свою очередь, составлена из отражателя 6 и встречно-штыревого преобразователя 7 (их края справа и слева показаны аналогично), справа внешний край отражателя 6 совпадает с краем решетки 5, слева совпадают внутренние края, что и отражено обозначениями 5; 6 и 5; 7); далее отражатели 6 включают полоски 8 и замыкающие каждый из них накоротко шины 9, ВШП также полоски 10 с контактными площадками 11, неприсоединенными к шинам 9, другие контактные площадки обоих ВШП 7 соединены с шинами 9 обоих отражателей 6 общей шиной 12, автогенераторный усилитель 13 включен между контактными площадками 11, выходы обоих элементов (усилителей) соединены через смеситель 14 со входом измерителя частоты 15, источник же постоянного напряжения 16 через реле времени 17 подключается к шинам 9 и через них к полоскам решеток 5.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства реле времени 17 подключает источник напряжения 16 к электроду элемента, автогенераторы же, состоящие каждый из ПАВ-резонатора и усилителя 13, начинают вырабатывать электрические сигналы на частотах, равных резонансным частотам ПАВ-резонансным частотам ПАВ-резонаторов. При этом преобразователи 7 преобразуют ПАВ в электрический сигнал и обратно, а отражатели 6 отражают распространяющуюся в обе стороны от преобразователей по подложке ПАВ создают стоячую ПАВ, имеющую наибольшую амплитуду на резонансной частоте этого ПАВ-резонатора. Последняя зависит от фазовой задержки ПАВ в резонаторе равной, в нашем случае малого расстояния между отражательно-преобразовательными решетками 5, в основном, сумме фаз отражений этих решеток, зависящих от массы пленочных полосок этой решетки, включающей и массу электрически заряженных газоионизатором частиц, осевших, соответственно, только на находящиеся под электрическим потенциалом полоски и не осевших на свободную поверхность диэлектрической подложки и в промежутках между полосками.

Таким образом, от массы осевшей на полоски решеток пыли зависят фазы отражения отражателей, и, как следствие, резонансная и выходная частоты чувствительного элемента. Причем, чувствительность здесь, по сравнению с прототипом увеличивается, как, указывалось, за счет того, что пространственно-периодические (брегговские, полуволновые) решетки обладают значительно большей задержкой и, соответственно, ее изменением при нагружении, чем сплошные электроды. Указанное подтверждается также узостью полосы отражения (запрещенной полосы частот) и, соответственно большой крутизной фазочастотной характеристики сред со слабыми периодическими неоднородностями [4] каковой является, в частности, описанная здесь решетка.

Смеситель 14 выделяет разность частот автогенераторов с элементами чувствительным 1 и опорным 3, пропорциональную, как следует из сказанного, массе осевшей пыли и, соответственно, ее концентрации, которая измеряется и отображается частотометром 15. По истечении заданного времени реле 17 отключает источник высокого напряжения 16, осевшая пыль сдувается контролируемым потоком воздушной смеси, и прибор готов к новому циклу измерения концентрации, который начинается при следующем включении источника 16 с помощью реле 17.

Обеспечить указанное увеличение чувствительности за счет осуществления пространственно-периодического нагружения можно в наибольшей степени при минимальном расстоянии промежутке между решетками 5 отражателей и преобразователей, поскольку указанное взаимодействие происходит в решетках и не происходит в промежутке между решетками. Первым шагом на пути создания такой структуры является выполнение полосок одной решетки с одним периодом, так что и отражательные и преобразовательные полоски синхронно и отражают, и взаимодействуют с частицами. Второй шаг минимизация расстояния между отражательными решетками, равного, обычно, целому числу полуволн (периодов) решетки до, соответственно, одной полуволны периода решетки.

Устройство по конструкции предложения использовалось для контроля запыленности потока технологического воздуха с расходом около 1 м³/ч.

Идентичные чувствительный и опорный ПАВ-резонаторные элементы выполнялись на подложках 4 кварца ST-среза с периодом полосок 20 мкм и, соответственно, резонансной частотой около 80 МГц, числом полосок в отражателях 6 по 500, в преобразователях 7 по 63 из алюминиевой с подслоем ванадия пленки толщиной 0,45 мкм.

В качестве автогенераторных усилителей 13 и смесителя 14 использовались микросхема К.175 УВ 4, источник напряжения 16 прибор ВС 22, реле времени 17 модифицированное фотореле и высоковольтное реле РЭН 29, а также частотометр ЧЗ-54. При этом ширина полосок и промежутков решеток 10 мкм, так что, как следует отметить, вполне однозначно пространственно-периодическое взаимодействие осуществлялось только для частиц, меньших 10 мкм. Для пылинок с большими размерами взаимодействие является сплошным и чувствительность устройства к ним значительно меньше. Таким образом, во-первых, устройство обладает задаваемой периодом решеток селективностью к размеру частиц. Во-вторых, оно решает, в первую очередь, одну из наиболее актуальных задач контроля концентрации трудноулавливаемой мелкодисперсной пыли (5), размером менее (в пределе)) минимально применяемых в технике ПАВ полосок; менее 1 мкм. Калибровка устройства со стандартным пылемером КДМ-1 дала чувствительность устройства при времени сбора пробы (таким же, как в прототипе) 10 мин, лучше 0,1 (г/м³)^-1, что при совместной нестабильности описанных опорного и чувствительного элементов порядка 10^-8, Дает порог чувствительности лучше 10^-7 г/м³.

Таким образом, предлагаемое устройство является высокочувствительным, в первую очередь, к мелкодисперсной пыли и обладает селективностью к размеру частиц.