ОБЩЕВОЙСКОВОЙ СИГНАЛИЗАТОР КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОЗДУХА АЭРОЗОЛЯМИ

Полезная модель относится к техническим средствам (ТС), относящимся к области контроля загрязнений воздуха аэрозолями фракциями менее 10 мкм. Частицы данных фракций характерны для некоторых дымов, биологических аэрозолей [1, 2]. Защитой от таких аэрозолей являются средства индивидуальной защиты органов дыхания и коллективной защиты, например, бронеобъектов [3]. Влияние на органы дыхания человека аэрозолей диаметром менее 10 мкм настолько существенно, что для предупреждения поражения от них требуется быстрое использование средств защиты. Однако в настоящее время общевойсковых ТС, сигнализирующих о наличии в воздухе таких аэрозолей, на снабжении войск нет.
Полезная модель может быть отнесена к техническому решению, применение которого возможно в ходе ведения боевых действий подразделений уровня взвод-рота.
Целью создания полезной модели является обеспечение своевременного предупреждения в боевой обстановке общевойсковых подразделений уровня взвод-рота о наличии в воздухе аэрозолей фракций менее 10 мкм.
Устройство предназначено для анализа окружающего воздуха с целью обнаружения в нем наличия аэрозоля фракций менее 10 мкм, при превышении естественного фона атмосферы на 30% и более, и выдачи соответствующего сигнала.
Для сохранения боеспособности личного состава мотострелковых (танковых, артиллерийских) подразделений Сухопутных войск ВС РФ, подвергшегося воздействию аэрозолей фракций менее 10 мкм, требуется наличие в подразделениях уровня взвод-рота быстродействующих (до 10 секунд) ТС их обнаружения.
Для сигнализации наличия в воздухе биологических аэрозолей в ФГУП «ГосНИИБП» к началу второго десятилетия XXI века был создан общевойсковой сигнализатор аэрозолей спецпримесей - прибор биологической разведки ПБР-1 (Фиг. 1). Принцип действия данного прибора - оптико-электронный, основанный на проточно-оптическом методе анализа (ПОМ), обеспечивающий распознавание биологических аэрозолей от других, искусственных и природных, образующихся при горении, взрывах, диспергировании, жизнедеятельности и т.п., размером частиц менее 10 мкм [1, 2].
Анализ литературных данных показывает, что в сконструированных в РФ и за рубежом приборах, основанных на ПОМ, создаются условия для взаимодействия излучения с индивидуальными частицами аэрозоля, в том числе биологического, в струе пробы [4, 5]. Преимущество варианта ПОМ, реализованного в ПБР-1, заключается в высокой его специфичности (избирательности) при распознавании биологических аэрозолей. Однако быстродействие таких приборов, в том числе ПБР-1, может составлять от 15 секунд до 2 минут при малых концентрациях аэрозоля [4]. По этой причине, а также в связи со срабатыванием в присутствии мешающих примесей, общевойсковой прибор ПБР-1 на снабжение войск не принят. Других приборов, регистрирующих наличие в воздухе аэрозолей фракции менее 10 мкм (в том числе и биологических аэрозолей), на снабжении войск нет и поэтому, скорее всего, личный состав при вдыхании такого аэрозоля получит поражение.
Для достижения быстродействия сигнализатора менее 10 секунд, следует использовать другие условия проточно-оптического метода анализа, которые реализованы, например, в извещателях пожарных аспирационных (ИПА) (Фиг. 2).
Однако такие приборы срабатывают не только на наличие в воздухе аэрозоля фракции менее 10 мкм, но и на наличие грубодисперсного аэрозоля (более 10 мкм), и даже от грунтовой пыли. Кроме того, количество ложных срабатываний ИПА в ходе боевой деятельности войск, скорее всего, будет очень частым из-за наличия в воздухе аэрозолей, которые называют фоновыми.
-5
-4
Для уменьшения количества срабатываний общевойскового сигнализатора на наличие в воздухе фонового аэрозоля необходимо, чтобы прибор выдавал сигнал «Аэрозольная опасность» при превышении концентрации аэрозоля во фракции менее 10 мкм на 30% и более от фонового значения. Данное значение приращения концентрации аэрозоля обосновано в ходе анализа литературного источника [6]. Согласно [6], концентрация аэрозоля во фракции менее 10 мкм в чистой атмосфере (фон) может достигать до 8,0⋅10, в загрязненной - до 3,75⋅10 мг/л (средние годовые измерения концентраций взвешенных частиц до 10 мкм в г. Новосибирске и его пригородах). Регион выбран по следующим соображениям: из-за географического положения, типа климата - континентального, наиболее распространенного типа растительности - пересечение лесной и лесостепной природных зон, наличия возможных источников выбросов содержащих аэрозоли из таких объектов, как Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (пос. Кольцово), Сибирское отделение Российской академии сельскохозяйственных наук, Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН).
Такую и даже меньшую концентрацию аэрозолей фракций менее 10 мкм способны зарегистрировать ИПА, а при программном обеспечении - зафиксировать превышение концентрации относительно фонового значения.
Согласно [6], варьирование концентрации аэрозоля фракции менее 10 мкм в течение суток в различное время года не превышает 30%. Поэтому, такую разницу между концентрациями фонового значения аэрозоля фракции менее 10 мкм, создаваемого при горении некоторых материалов и при распространении аэрозолей, имеет смысл зафиксировать с помощью быстродействующего, но малоспецифичного прибора и выдать сигнал о вероятной аэрозольной опасности с целью своевременного оповещения личного состава и использования им средств защиты органов дыхания.
Прототипом предлагаемого сигнализатора является извещатель пожарный аспирационный ИПА v3 с быстродействием (инерционностью срабатывания) до 5 с (Фиг. 2). Принцип действия извещателя ИПА v3 - оптико-электронный, с измерением освещенности фотоприемного устройства [7].
Для исключения срабатывания сигнализатора на наличие в воздухе почвенной пыли и грубодисперсного аэрозоля в его конструкцию включены циклон и импактор, описание функционирования которых дано далее.
Используя конструктивные особенности циклона прибора радиационной, химической разведки ПРХР (Фиг. 3) и пробоотборника, разработанного в Военной академии РХБ защиты (Фиг. 4), была разработана конструкция общевойскового сигнализатора контроля загрязнений воздуха аэрозолями фракциями менее 10 мкм, обеспечивающая исключение попадания частиц более 10 мкм в блок фотодиодов, где осуществляется измерение освещенности фоторезистора. Деталировка конструкции общевойскового сигнализатора контроля загрязнений воздуха аэрозолями фракциями менее 10 мкм представлена на Фиг. 5.
Очистку просасываемого воздуха от почвенной пыли (размером более 50 мкм), присутствие которой в атмосфере обусловливается движением боевой и специальной техники, взрывами, ветром осуществляет циклон (Фиг. 5, поз. 1), конструкция и габариты которого соответствуют циклону ПРХР (Фиг. 3, поз. 1).
Очистку воздуха от грубодисперсного аэрозоля (от 10 до 50 мкм) в общевойсковом сигнализаторе обеспечивает импактор (Фиг. 5, поз. 2-4). Импактор функционирует следующим образом: воздух, содержащий аэрозольные частицы размером менее 50 мкм, поступают в импактор после очистки в циклоне. В импакторе формируется поток с заданной линейной скоростью. Попадая внутрь импактора, частицы аэрозоля движутся вместе с воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и количеством отверстий на пластине (Фиг. 5, поз. 3). Резкое изменение направления движения потока, после прохождения отверстий пластины, приводит к тому, что в силу инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются на коллекторной пластине (Фиг. 5, поз. 4). Остальные частицы уносятся воздушным потоком через отверстия, расположенные на периферии коллекторной пластины, в воздухозаборную трубку (Фиг. 5, поз. 5).
Наличие пластины с отверстиями (Фиг. 5, поз. 3) и коллекторной пластины (Фиг. 5, поз. 4), позволяет при установленном расходе воздуха в 50 л/мин разделить в поступающем потоке воздуха аэрозольные частицы размером более 10 мкм от частиц, размером менее 10 мкм. Расчет параметров импактора - радиус отверстий при выбранном их количестве и расстоянии от среза отверстий на выходе потока аэрозоля до подложки (коллекторной пластины), обеспечивающий задержку частиц размером более 10 мкм, был проведен в соответствии с методикой, изложенной в [2].
Коробка распределения потоков предназначена для создания двухпоточной системы с расходами около 50 л/мин и около 3 л/мин. Первый расход необходим для корректного функционирования циклона, второй - для надежного определения освещенности фоторезистора в блоке фотодиодов (Фиг. 5, поз. 6). Во внутреннем объеме блока фотодиодов находятся: держатель фоторезистора (Фиг. 5, поз. 7), корпус фоторезистора (Фиг. 5, поз. 8).
Функционирование сигнализатора осуществляется следующим образом. Аэрозольные частицы более 50 мкм, осаждаются в циклоне, частицы размером от 10 до 50 мкм - в импакторе. Частицы фракции менее 10 мкм поступают через заборную трубку (Фиг. 5, поз. 5) в блок фотодиодов (Фиг. 5, поз. 6), с воздушным потоком из коробки (Фиг. 5, поз. 9), за счет потока, создаваемого нагнетателем марки Deepcool XFAN 70. Нагнетатель крепится к корпусу фоторезисторов (Фиг. 5, поз. 8) посредством переходника для крепления (Фиг. 5, поз. 10). Попадая в блок фотодиодов, частицы аэрозолей фракций менее 10 мкм изменяют освещенность фоторезистора, тем самым создавая условия для срабатывания электронной схемы сигнализатора, установленной в блоке (Фиг. 5, поз. 11). Выдаваемый электронной схемой код, вводится в компьютер посредством USB порта и анализируется специальной программой на языке С#. Силовой каркас прибора составляют шпильки (Фиг. 5, поз. 12).
Блок-схема электронной ячейки сигнализатора контроля загрязнений воздуха аэрозолями фракциями менее 10 мкм представлена на Фиг. 6. Составные части схемы и их функциональное назначение: микроконтроллер - основной блок выполняющий роль управляющего элемента; источник питания - снабжает схему необходимым током соответствующего напряжения; кулер - управляемый блок, с его помощью осуществляется прокачивание частиц через корпус фоторезистора; источники света - 6 светодиодов типа АЛ307БМ мощностью 3 Вт; фотоприемник - фоторезистор VT90N1 мощностью 3 Вт.) - собирает информацию об освещенности и отправляет ее на микроконтроллер; устройство сигнализации - информирует о наличии в прокачиваемом воздухе приращения аэрозоля фракции менее 10 мкм; устройство управления - часть схемы, осуществляющая внешнее управление ячейкой.
Структурная схема электронной ячейки послужила основой для построения схемы электрической принципиальной. Принципиальная электрическая схема сигнализатора контроля загрязнений воздуха аэрозолями фракциями менее 10 мкм представлена на Фиг. 7.
Основным элементом схемы является микроконтроллер Arduino Leonardo. Он осуществляет управление всей схемой. Для работы электронная ячейка использует напряжение питания 6В, передаваемое через USB порт персонального компьютера. Данного напряжения достаточно для надежной и бесперебойной работы микроконтроллера. Он, в свою очередь, осуществляет управление светодиодами (VD1-VD3) через полевые транзисторы (VT1-VT3) путем подачи высокого уровня напряжения на их затворы. Данное функциональное решение позволяет в дальнейшем осуществлять манипуляции над светодиодами с помощью компьютера без внешнего вмешательства. Для работы нагнетателей (M1 «SUNON PF80381B1-000U-А99», М2 «Deepcool XFAN 70») используется отдельный источник питания напряжением 12В. Его управление осуществляется через полевой транзистор для защиты микроконтроллера от высокого уровня напряжения. В качестве датчика электронная ячейка использует фоторезистор (R7), подключенный к делителю напряжения. При наличии аэрозолей фракций менее 10 мкм в прокачиваемом воздухе микроконтроллер считывает падение напряжения на фоторезисторе. Полученные числовые значения отправляются на компьютер по USB кабелю, где сравниваются с введенным при запуске сигнализатора фоновым значением.
Поток данных анализируется в программе написанной на языке С#, позволяющей удобно описывать простые приложения, анализирующие потоки данных. На первом этапе программа выполняет выборку из поступающего потока, определяет математическое ожидание и записывает данное значение как фоновое. После этого программа осуществляет сравнение последующих значений, и, в том случае, если фоновое значение изменится на 30% или более, программа выдает сигнал об аэрозольной опасности.
Предложенное устройство отличается от аналогов (например, ИПА) тем, что:
- имеет два каскада очистки воздуха от почвенной пыли и грубодисперсного аэрозоля;
- вместо оптопары светодиод - фотодиод, используется оптопара светодиод - фоторезистор;
- электронная схема сигнализатора - оригинальна и имеет модульный принцип построения, что позволяет легко заменять ее отдельные части в случае поломки;
- в электронной схеме используется контроллер, позволяющий осуществлять обновление прошивки и подключать дополнительные устройства, обеспечивающий возможность расширения функциональных возможностей устройства;
- сигнализатор функционирует под управлением программного обеспечения на языке С#.
Масса устройства, изготовленного методом 3D печати, составляет не более 800 г. В ходе экспериментов в стендовых условиях при параллельном измерении концентрации аэрозоля измерителем концентрации взвешенных частиц (ИКВЧ) была подтверждена заявленная возможность регистрации приращения аэрозоля фракции менее 10 мкм на 30% и более.
Предложенное устройство позволяет:
- регистрировать приращение аэрозолей фракции менее 10 мкм на 30% и более, в полевых условиях;
- выдавать световую и звуковую сигнализацию о приращении аэрозолей фракции менее 10 мкм;
- увеличить эффективность использования средств коллективной и индивидуальной защиты;
- выдавать кодовый (цифровой) сигнал об аэрозольной опасности.
Полезная модель может найти применение в области охраны окружающей среды при гигиенических исследованиях воздуха на предприятиях добывающей, химической, микробиологической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности, при аварии на которых возможны выбросы аэрозолей фракции менее 10 мкм.
Литература
1 Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы [Текст]: /Пер с англ. Ленинград, Химия, 1969.
2 Райст, П. Аэрозоли [пер. англ] [Текст]: / под ред. Б.Ф. Садовского. - Москва, 1987. - 280 с.
3 Средства индивидуальной и коллективной защиты [Текст]: Учебник под ред. К. Николаева. Москва: ВАХЗ, 1977.
4 Богатырев, А.А. Технические средства биологической разведки и контроля. Перспективные методы и средства индикации биологических поражающих агентов, основанных на физических принципах / Богатырев А.А., Храмов Е.Н., Ковтун А.Л., и др. // Учебное пособие. - Кострома ВА РХБЗ, 2016 - 182 с.
5 Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем [Текст]: Москва: Машиностроение, 2000. - 432 с.
6 Куценогий, К.П. Влияние концентрации аэрозолей на качество атмосферы в г. Новосибирске / Куценогий К.П., Молородов Ю.И., Селегей Т.С./ [Электронный ресурс]: www.pandia.ru/text/.
7 Извещатель пожарный аспирационный. ИПА Руководство по эксплуатации ДАЭ 100.359.100-01 РЭ. ЗАО «ПО Спецавтоматиика». Бийск, 2011. - 20 с.