СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
MEASURING METHOD OF CONCENTRATION OF AEROSOL PARTICLES, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предложенный способ позволяет измерять распределение по фракциям и концентрации твердых и жидких частиц аэрозоля в интервале размеров частиц: от 0,8 мкм до 2 мкм, от 2 мкм до 5 мкм, от 5 мкм до 10 мкм и более 10 мкм при помощи полупроводниковых кондуктометрических сенсоров по изменению проводимости.
Техническое решение относится к способам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля за аварийными химическими выбросами.
В настоящий момент существует несколько способов контроля осаждаемого аэрозоля. Наиболее распространенным и признанным в качестве стандарта в Европе, в частности в России, Англии, Франции, Бельгии и др., является гравитационный способ, согласно которому из аэрозольного потока выделяют частицы и определяют их массу. Выделение частиц, как правило, осуществляется при пропускании проб воздуха через различные фильтры, и по массе частиц, осажденных на фильтрах, определяют концентрацию аэрозоля в воздухе по формуле (1):
где m - масса осажденных частиц, мг;
3
Q - объемный расход воздуха через пробоотборник, м/с;
τ - время отбора пробы, с.
Основные преимущества этого способа - получение массовой концентрации веществ и отсутствие влияния их химического и дисперсного состава на результаты измерений. К недостаткам относится большая трудоемкость процесса измерения и отсутствие возможности контролирования изменения концентрации аэрозоля в режиме реального времени.
Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля, состоящий из измерения аэрозоля кондуктометрическим полупроводниковым сенсором в реальном времени [1]. Недостатком данного способа является невозможность измерения дисперсного состава аэрозоля из-за нулевой избирательности данного типа сенсора.
Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля, состоящий из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам и измерения концентрации аэрозоля (исследуемого вещества) для каждой камеры, имеющей свой диапазон дисперсности [2]. Изобретение позволяет фиксировать во времени изменение концентрации аэрозоля и его дисперсности, обеспечивает совместное измерение дисперсного состава и концентрации аэрозоля в большом временном интервале. Недостатком данного изобретения является невысокая точность измерения концентрации аэрозоля и невозможность проведения измерений в реальном времени.
Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля газоанализатором на основе полупроводниковых кондуктометрических датчиков [3]. Однако в предложенном способе аэрозоль осаждается диффузией, что существенно затрудняет проведение контроля фракционного состава аэрозоля.
Наиболее близким является способ измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени и устройство для его осуществления, состоящий из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам устройства и измерения концентрации аэрозоля для каждой камеры, имеющей свой диапазон дисперсности [4]. Недостатками данного способа и устройства являются дороговизна, а также громоздкость измерительного устройства и большое потребление энергии.
Задачей технического решения является выбор условий, при которых измерения проводятся с минимальными материальными и энергетическими затратами.
Технический результат состоит в том, что заявленный способ позволяет снизить стоимость измерений и потребление энергии, а в части устройства - в уменьшении его массогабаритных характеристик.
Поставленная задача решается следующим образом. При применении заявляемого способа измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени и устройства для его осуществления, состоящего из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам и измерения концентрации аэрозоля в каждой камере, измерения проводятся полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами по изменению их проводимости (после предварительного прогрева), для чего проводится предварительная калибровка сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, которая принимается постоянной вплоть до окончания измерений, причем калибровка осуществляется для каждого сенсора. С учетом калибровки значения проводимостей пересчитываются в концентрации по заданному алгоритму.
Кроме того, в устройстве, состоящем из импактора с последовательно расположенными измерительными камерами для определенных диапазонов дисперсности частиц, установлены датчики концентрации аэрозоля, которыми согласно изобретению являются полупроводниковые кондуктометрические сенсоры.
Кроме того, калибровку дополнительно проводят по другому известному веществу.
Кроме того, кондуктометрические сенсоры установлены в зоне торможения потока.
Данное техническое решение позволяет снизить стоимость измерений и потребление энергии, а также уменьшить габариты устройства.
Техническая сущность предложенного решения поясняется фигурой, где представлено условное изображение функционирования устройства - импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами в процессе осуществления предложенного способа: импактор (1), входной патрубок (2), перегородки (3), отверстия (4) в перегородках (3), камеры (5) для аэрозоля с различной дисперсностью, полупроводниковые кондуктометрические сенсоры (6), выходной патрубок (7).
Предлагаемый способ состоит из последовательности следующих операций: через входной патрубок (2) в импактор осуществляется забор атмосферного воздуха, содержащего аэрозоль, попав в импактор (1), аэрозоль через отверстия (4) перегородок (3) поступает в измерительные камеры (5), в которых установлены сенсоры (6), и через выходной патрубок (7) покидает импактор (1). Так как отверстия (4) имеют разный диаметр, то поток аэрозоля проходит через них с разной скоростью, что позволяет в каждой камере (5) осаждать частицы на сенсоры и измерять концентрацию аэрозоля различной дисперсности. Для проведения измерений необходимо предварительно провести калибровку, которая осуществляется следующим образом. Сенсоры предварительно прогревают, и далее проводят калибровку сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью. Калибровку осуществляют для каждого сенсора, количество калибровочных экспериментов с измерением проводимости сенсоров на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, определяется исходя из требований к диапазону и точности измерений. Далее проводят измерения текущих значений проводимостей сенсоров в реальном времени, которые с учетом калибровки, по заданному алгоритму пересчитываются в концентрации.
Пример конкретного осуществления предложенного способа.
3
Калибровка проводилась с использованием, аэрозоля 15% водного раствора модельного вещества и импакторов. Испытания проводились в герметичной испытательной камере, объемом 8 м, оборудованной вытяжной вентиляцией и технологическими отверстиями для подключения импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками и такого же импактора с фильтрами Петрянова. В течение всех экспериментов импактор с полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами находился в камере, а для каждого эксперимента устанавливался такой же импактор с фильтрами Петрянова (на местах крепления сенсоров). Создание аэрозоля водного раствора осуществлялось с использованием ультразвукового генератора «Вулкан-2». Длительности распыления водного раствора выбирались в соответствии с производительностью генератора для равномерного охвата исследуемого диапазона концентраций. После каждого распыления осуществлялось перемешивание аэрозоля в течение одной минуты. Отбор аэрозоля производился параллельно через импактор с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками и через такой же импактор с фильтрами Петрянова. Объемы прокачиваемого воздуха через каждый импактор были равны. После отбора аэрозоля проводился продув камеры до полного очищения (не менее 15 минут). Определение количества аэрозоля модельного вещества, уловленного импакторами с фильтрами Петрянова, осуществлялось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии со спектрофотометрическим детектированием. В процессе калибровки было проведено 7 калибровочных экспериментов, в результате которых были получены зависимости показаний концентрации аэрозоля, измеренных при помощи импактора с фильтрами Петрянова методом количественного химического анализа, от показаний импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками. Калибровочная кривая представлена прямой линией с формулой (2):
где C - предполагаемая концентрация аэрозоля в мг/л,
G - показания импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками в отсчетах АЦП,
0
а и G - калибровочные коэффициенты, полученные при линейной аппроксимации результатов.
Список литературы
1. Патент США №5382341. «Способ детектирования дыма (аэрозоля)».
7
2. Патент РФ №2296975, 10.04.2007, МПК G01N 15/02. «Импактор».
3. Патент на полезную модель РФ №95846, 29.12.2009, G01N 27/00 (2006.01). «Газоанализатор на основе полупроводниковых кондуктометрических датчиков».
7
4. Патент США №6431014, 13.08.2002, МПК G01N 15/02. «Высокоточный импактор аэрозоля и мониторинг».