Методы измерения концентрации пыли делятся на две группы: 1) основанные на предварительном осаждении частиц пыли и исследовании осадка; 2) без предварительного осаждения. Основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой концентрации пыли к недостаткам следует отнести циклический характер измерения, большую трудоемкость, низкую чувствительность, обусловливающую длительный пробоотбор при измерении малых концентраций.
Методы измерения концентрации пыли являются возможностью непосредственных измерений в самом пылегазовом потоке без использования пробоотборного устройства, непрерывность измерений, высокая чувствительность, возможность полной автоматизации процесса измерений. Во время измерений поток не подвергается аэродинамическому искажению. Существенным недостатком методов второй группы является влияние на полученный результат изменения дисперсного состава и других свойств пыли.
Методы измерения концентрации пыли характеризуются широким диапазоном измеряемых концентраций (от нескольких миллиграммов до десятков граммов на кубический метр); широкий спектр размеров частиц пыли (от 0,05 до 100 мкм); высокие скорости (до 40 м/с) и температуры (до 500 °С) контролируемых пылегазовых потоков. Кроме того, сама концентрация пыли, являясь дискретной величиной, непрерывно изменяется в довольно широких пределах в зависимости от режима работы пылеуловителя.
Применительно к непрерывному промышленному контролю наиболее приемлемыми являются методы второй группы. Они дают непрерывную информацию о мгновенных значениях концентрации пыли в потоке и закономерностях ее изменения, что позволяет, во-первых, организовать автоматическое регулирование режимов работы пылеуловителя; во-вторых, установить сигнализацию об увеличении концентрации пыли выше допустимой; в-третьих, останавливать производство в аварийных ситуациях, когда очистные установки вышли из строя. Однако методы второй группы не всегда можно использовать на практике из-за высокой чувствительности к нестационарным флуктуациям, связанным с внешними и внутренними факторами (температурой и влажностью среды; параметрами источника питания прибора) и др.
Методы измерения концентрации пыли, основанные на предварительном осаждении частиц.
Весовой метод. К достоинствам весового метода следует отнести прежде всего то, что он измеряет массовую концентрацию пыли, и на его показания не влияют изменения химического и дисперсного состава пыли, формы частиц, их оптических, электрических и других свойств. Метод позволяет измерять большие концентрации пыли. Техника измерения сравнительно проста, но сам процесс измерения довольно длителен и трудоемок. С точки зрения непрерывного промышленного пылевого контроля весовой метод не удовлетворяет основному требованию - непрерывности измерения. Однако в последнее время найден способ получения непрерывной информации о мгновенном значении концентрации пыли в выбросах, который состоит в следующем. Поскольку накопление пыли на фильтре является процессом интегрирования, то, имея непрерывный сигнал о нарастании массы осевшей пыли, можно автоматически дифференцировать его, чтобы получить выходной сигнал Uвых = dUвx(t)dt, соответствующий мгновенному значению концентрации пыли. Осуществление метода требует полной автоматизации всех измерительных операций, что обусловливает сложность и высокую стоимость аппаратуры.
Несмотря на указанные недостатки, весовой метод нашел самое широкое применение при осуществлении пылевого контроля выбросов промышленных предприятий; в настоящее время они является общепринятым методом измерения концентрации пыли. Все существующие и вновь разрабатываемые пылемеры, основанные на других методах измерения, градуируют, используя весовой метод в качестве контрольного. Однако это не всегда метрологически правильно, поскольку разрабатываемые методы, как правило, превосходят по точности весовой метод.
Проведем метрологическую оценку весового метода. Суммарная погрешность измерения концентрации пыли весовым методом включает погрешность отбора пробы из пылегазового потока из-за нарушения условий и изокинетичности, осаждения частиц пыли на стейках пробоотборной трубки погрешность фильтрации; погрешность измерения массы уловленной пыли.
Погрешность отбора пробы для частиц размером порядка 1 мкм составляет 0,5-1 %, для частиц в 10 мкм 5-15 %. Однако при использовании способа внешней фильтрации погрешность возрастает за счет осаждения частиц пыли в пробоотборной трубке. Погрешность фильтрации возникает из-за неполноты улавливания, при использовании тканевых и бумажных фильтров она составляет 1-2 %. Погрешность при измерении объема отобранной пробы диафрагмой равна ±2%.
В общем случае применение весового метода дает погрешность порядка 10 %; ясно, что величина погрешности в значительной степени зависит от класса применяемого оборудования и контрольно-измерительных приборов.
Кроме весового метода, разработаны и другие методы пылевого контроля, основанные на исследовании осажденного слоя пыли.
Денситометрический метод основан на предварительном осаждении частиц пыли на фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Он включает все операции весового метода, исключая взвешивание пробы, которое заменено фотометрированием. Оптическую плотность осадка определяют путем измерения поглощения или рассеяния им света. Коэффициент корреляции, полученный в результате сравнения весового и денсиметрического методов, равен 0,93. Основной недостаток этого метода - зависимость результатов измерений от оптических свойств пыли.
Пьезоэлектрический метод основан на изменении собственной частоты колебаний пьезокристалла во время осаждения на его поверхности частиц пыли. При малых амплитудах колебаний кристалла уменьшение частоты колебаний последнего прямо пропорционально массе m осевшей на нем пыли: ∆f = Am, где А - коэффициент пропорциональности.
В принципе пьезоэлектрический метод является перспективным, так как он позволяет измерять массовую концентрацию пыли. Однако для широкого промышленного внедрения метода необходимо решить две проблемы: увеличить силу захвата частиц активной поверхностью кристалла и обеспечить периодическую очистку этой поверхности от осевшей пыли.
Метод, основанный на измерении перепада давления на фильтре. Он включает прокачивание порции пылегазового потока через фильтр и измерение разности давлений на входе и выходе фильтра. Результаты измерения пропорциональны массовой концентрации пыли. Достоинством метода является сравнительная простота его реализации. Однако он требует строгой стабилизации основных параметров пылегазового потока (скорости, температуры и др.).
Методы измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждения.
Существует несколько типов автоматических пылемеров с различными принципами действия.
Электрические методы измерения концентрации пыли. К группе пылемеров, разработанных на базе этого метода, относится контактно-электрический. Он основан на способности пылевых частиц электризоваться при контактировании с преградой, выполненной из контактно-активного материала, и отдавать приобретенный поверхностный заряд токопроводящим элементам преграды. Основными элементами контактно-электрического измерительного преобразователя являются электризатор, в котором происходит зарядка частиц, и токосъемный электрод. Зависимость массовой концентрации частиц от силы зарядного тока в цепи токосъемного электрода имеет линейный характер при концентрации пыли до 2 г/м3, когда большая часть частиц пыли контактирует с внутренней поверхностью электризатора и токосъемного электрода и суммарная величина регистрируемого заряда пропорциональна количеству частиц.
На электризацию частиц существенное влияние оказывают дисперсность, влажность, температура и другие свойства пылегазового потока. Установлено, что для получения максимальной чувствительности скорость частиц в электризаторе должна составлять 105-115.
Практическое применение метода ограничивается его недостатком - большое влияние на результаты измерения влажности, при увеличении которой происходит залипание проходного отверстия электрозатора.
Акустический метод измерения концентрации пыли основан на измерении параметров акустического поля при наличии частиц пыли в рабочем зазоре между источником и приемником звука. Величина потерь звуковой энергии, обусловленных наличием взвешенных твердых частиц, пропорциональна объемной концентрации пыли. К недостаткам метода можно отнести сложность аппаратурного оформления метода, вследствие чего он не нашел промышленного применения.
Оптические методы измерения концентрации пыли занимают ведущее место среди других для непрерывного контроля пылевых выбросов в промышленности. Он является наиболее простым и надежным, поэтому на базе оптических методов разработаны промышленные пылемеры, используемые во многих странах мира для контроля выбросов цементных заводов, тепловых электростанций и др. В основу оптических пылемеров положены явления поглощения света движущимся пылегазовым потоком и рассеяния света движущимися частицами пыли. Точность и достоверность результатов пылевого контроля при использовании оптических методов определяются главным образом стабильностью свойств частиц пыли. Для практических целей имеются ограничения по дисперсному составу пыли, который не должен изменяться при колебаниях ее концентрации.
На основе явления поглощения созданы оптические абсорбционные пылемеры, на основе явления рассеяния - оптические пылемеры светорассеяния. Из них первые нашли применение при измерении концентрации до нескольких граммов на кубический метр, вторые могут быть использованы при измерении низких концентраций.
Оптические пылемеры, применяемые в промышленности, рассмотрены дальше.