УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОЗДУХА АЭРОЗОЛЯМИ И ПРИМЕСНЫМИ ГАЗАМИ ДВУХФАЗНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения массовой концентрации аэрозолей и примесных газов в кратковременных воздушных потоках и техногенных двухфазных выбросах в атмосфере, ее экологического мониторинга и предупреждения промышленных аварий при импульсном выбросе затопленных струй топливных жидкостей типа керосин, нефть, дизельное топливо с их аэродинамическим диспергированием в воздухе.
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для анализа облачных капель (авторское свидетельство СССР №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу набегающему анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Недостатком данного устройства является невозможность одновременного анализа аэрозолей и газовых примесей в воздухе.
Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для предварительной обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ на изобретение №2321847). Недостатком устройства является невозможность одновременного анализа примесей газов и аэрозолей в воздухе.
Известен газоанализатор токсичных, радиоактивных и горючих газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий датчик радиоактивности и набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем для устранения конденсации влаги, внутренний измеритель температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса и внешней коммутации для питания и управления. Его недостатком невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и газов в воздухе.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №187093) для измерения объемной концентрации метана и других газообразных углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов. Его недостатком является невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и газов в импульсных воздушных потоках и двухфазных выбросах капель и паров.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса. Его недостатком является невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и парообразных примесей выбросов топливных жидкостей с их аэродинамическим распылением в атмосфере.
Известно устройство для измерения содержания газов и пыли в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газочувствительный сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки. Устройство подключено к побудителю расхода анализируемого газа. Его недостатком является невозможность одновременного определения в двухфазных воздушных выбросах концентрации примесных газов, капель воды и других капельных аэрозолей с малым электрическим сопротивлением, фильтрат которых резко уменьшает электрическое сопротивление между электродами и непредсказуемо изменяет межэлектродную емкость.
4
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее корпус для аспирации воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра с передачей данных в индикатор. Устройство предварительно калибруется для определения массовой концентрации уловленного фильтрата в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра при фиксированном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность одновременного анализа газовых и аэрозольных концентраций в двухфазных выбросах капель и паров топливных жидкостей с их аэродинамическим распылением в атмосфере, а также сложности создания высокообъемной аспирации проб дисперсных частиц через аэрозольный фильтр с аэродинамическим сопротивлением до 10 Па центробежным вентилятором.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и примесными газами двухфазных выбросов в атмосфере и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и примесными газами двухфазных выбросов в атмосфере.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и примесными газами двухфазных выбросов в атмосфере, включающее цилиндрический корпус для аспирации воздуха с аэрозольным фильтром, датчик измерения его газодинамического сопротивления с блоком передачи данных в удаленный компьютер, побудитель расхода анализируемого воздуха и расходомер, при этом, побудитель расхода анализируемого воздуха выполнен в виде вакуумной емкости с электронным манометром и форвакуумным насосом с запорным электромагнитным клапаном и присоединен газовым патрубком с вакуумным электромагнитным клапаном к цилиндрическому корпусу, причем внутренний объем вакуумной емкости в 50-100 раз превосходит внутренний объем цилиндрического корпуса и к ней присоединен через патрубок с отсечным электромагнитным клапаном газоанализатор, подключенный к электронному блоку питания, регистрации и передачи данных по витой паре на удаленный компьютер.
В результате создания устройства, включающего цилиндрический корпус для аспирации воздуха с аэрозольным фильтром, датчик измерения его газодинамического сопротивления с блоком передачи данных в удаленный компьютер, побудителя расхода анализируемого воздуха, присоединенного газовым патрубком с вакуумным электромагнитным клапаном к цилиндрическому корпусу и выполненного в виде вакуумной емкости с электронным манометром и форвакуумным насосом с электромагнитным клапаном, внутренний объем которой в 50-100 раз превосходит внутренний объем цилиндрического корпуса, а также присоединения к вакуумной емкости через патрубок с отсечным электромагнитным клапаном газоанализатора, подключенный к электронному блоку питания, регистрации и передачи данных по витой паре на удаленный компьютер, достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно осуществляется высокообъемный отбор пробы из кратковременного двухфазного выброса топливных жидкостей и/или импульсного воздушного потока в атмосфере и одновременный представительный анализ массой концентрации аэрозольных частиц, а также объемной или массовой концентрации примесных газов в анализируемом воздушном потоке в режиме реального времени.
Концентрация паров примесей измеряется с временем быстродействия менее 0,4-0,5 с газоанализатором с оптическим сенсором и побудителем тяги согласно патенту РФ на полезную модель №191610. Представительная проба отбирается из вакуумной емкости в зону анализа оптического инфракрасного сенсора после открытия отсечного клапана, установленного в патрубке, соединяющий газоанализатор с вакуумной емкостью. Газоанализатор подключен к электронному блоку для передачи данных на удаленный до 1200 м компьютер по витой паре. Данный газоанализатор позволяет измерять пары при температуре до -90°С. Это расширяет температурный диапазон использования разработанного устройства.
Массовая концентрация аэрозолей определяется путем измерения дифференциального газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра ΔР в зависимости от величины уловленного осадка аэрозолей. Величина ΔР измеряется датчиком газодинамического сопротивления с блоком передачи данных в удаленный компьютер. Предварительно аэрозольный фильтр калибруется путем детектирования величины изменения его газодинамического сопротивления от массы уловленного фильтрата при заданном объемном расходе анализируемого воздуха Q. Величина Q=5-30 л/с определяется в первую очередь объемом вакуумной емкости и сопротивлением аэрозольного фильтра.
Внутренний объем вакуумной емкости в 50-100 раз больше объема цилиндрического корпуса с аэрозольным фильтром. Это позволяет обеспечить высокообъемный отбор пробы через аэрозольный фильтр со скоростью до 30 л/с и уменьшить ошибки измерения массовой концентрации аэрозолей за счет уменьшения паразитного объема цилиндрического корпуса с аэрозольным фильтром.
Электронный манометр детектирует давление в вакуумной емкости и таким образом, позволяет измерять величину объемной скорости ее заполнения анализируемым воздухом и значение его объемной скорости Q течения через аэрозольный фильтр.
Периодическое разряжение вакуумной емкости до давления около 100 Па осуществляется с помощью форвакуумного насоса, подключенного к ней через соединительный патрубок с электромагнитным клапаном.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и примесными газами двухфазных выбросов в атмосфере, где:
1 - цилиндрический корпус;
2 - аэрозольный стекловолокнистый или металлический фильтр;
3 - сетка;
4 - датчик измерения газодинамического сопротивления фильтра 2;
5 - вакуумный электромагнитный клапан с патрубком подключения корпуса 1 к емкости 7;
6 - электронный манометр;
7 - вакуумная емкость;
8 - газоанализатор;
9 - электронной блок питания, регистрации передачи данных газоанализатора 8 на удаленный компьютер;
10 - электромагнитный запорный клапан с патрубком для подключения к емкости 7 насоса 12;
11 - блок передачи данных с блока 4;
12 - форвакуумный насос;
13 - отсечной электромагнитный клапан с патрубком для подключения газоанализатора 8 к емкости 7;
14 - удаленный компьютер;
L - расстояние удаления компьютера 14 от места анализа капель и паров;
Q - объемный расход анализируемого воздуха через устройство.
На фиг. 2а приведена экспериментальная кривая 1 изменения давления ΔP(t) в вакуумированной емкости от времени ее заполнения t паровоздушной смесью из облака капель керосина после открытия электроклапана в момент времени t=00 с.
На фиг. 2б приведена фотография вакуумной емкости.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и примесными газами двухфазных выбросов в атмосфере. Устройство содержит цилиндрический корпус 1, в котором расположен аэрозольный фильтр 2, подключенный к датчику 4 для измерения его газодинамического, дифференциального сопротивления воздушному потоку. На выходе корпуса 1 соосно размещен выходной цилиндрический патрубок газового потока с электромагнитным клапаном 5, состыкованного с побудителем расхода анализируемого воздуха, выполненного в виде вакуумной емкости 7 с электронным манометром 6 и форвакуумным насосом 12, подключенный к емкости 7 через патрубок с электромагнитным клапаном 10.
Концентрация паров примесей измеряется с временем быстродействия менее 0,4-0,5 с газоанализатором 8 с оптическим сенсором и побудителем тяги согласно патенту РФ на полезную модель №191610. Представительная проба отбирается из вакуумной емкости 7 в зону анализа оптического инфракрасного сенсора после открытия отсечного клапана 13, установленного в патрубке, соединяющий газоанализатор 8 с вакуумной емкостью 7. Газоанализатор 8 подключен к электронному блоку питания, регистрации и передачи данных на удаленный до 1200 м компьютер 14 по витой паре. Компьютер подключен к головному серверу сбора информации по оптоволоконному кабелю, длиной до 10 км (на Фиг. 1 не показаны).
Металлическая сетка 3 на входе цилиндрического корпуса 1 установлена для защиты аэрозольного фильтра 2 от импакции крупных дисперсных частиц.
Величина объемного расхода анализируемого газа через устройство Q≈5-30 л/с. Аэрозольный фильтр 2 изготовлен из стекловолокна или мембранного металлического фильтра с многослойной пористой структурой (Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Газодинамическое сопротивление при высокоскоростной очистке газов многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Теоретические основы химической технологии, 2002, Т. 36, №4, с. 353). Их эффективность улавливания аэрозольных частиц диаметром более 0,01 мкм составляет Е>99,9%. Величина диаметра фильтра 2 варьируется от 5 до 15 см в зависимости от выбора значений объемного расхода газа Q.
3
4
Диапазон изменения газодинамического, дифференциального сопротивления ΔР аэрозольного фильтра 2 зависит от его типа, скорости течения анализируемого двухфазного потока через фильтр 2 и массы накопленного фильтрата аэрозольных частиц. Оптимальный диапазон изменения величины ΔР варьируется от 10 до 10 Па.
Массовая концентрация аэрозолей определяется путем измерения дифференциального газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра ΔР в зависимости от величины уловленного осадка аэрозолей. Величина ΔР измеряется датчиком газодинамического сопротивления 4 с блоком передачи данных 11 в удаленный компьютер 14. Предварительно аэрозольный фильтр 2 калибруется путем детектирования величины изменения его газодинамического сопротивления от массы уловленного фильтрата при заданном объемном расходе анализируемого воздуха Q. Величина Q определяется в первую очередь объемом вакуумной емкости 7 и сопротивлением фильтра 2 и варьируется от 5 до 30 л/с при его газодинамическом сопротивлении ΔР<25 кПа.
Внутренний объем вакуумной емкости 7 в 50-100 раз больше объема цилиндрического корпуса 1 с аэрозольным фильтром 2. Это позволяет обеспечить высокообъемный отбор пробы через аэрозольный фильтр со скоростью до 30 л/с и уменьшить ошибки измерения массовой концентрации аэрозолей за счет уменьшения паразитного объема цилиндрического корпуса с аэрозольным фильтром.
Электронный манометр 6 детектирует давление в вакуумной емкости 7 и, таким образом, позволяет измерять величину объемной скорости ее заполнения анализируемым воздухом и значение его объемной скорости Q течения через аэрозольный фильтр.
Периодическую откачку вакуумной емкости 7 до давления около 100 Па осуществляется с помощью малогабаритного форвакуумного насоса 12, подключенного к ней через соединительный патрубок с электромагнитным клапаном 10.
Устройство работает следующим образом. Предварительно, вакуумируется малогабаритным форвакуумным насосом 12 емкость 7 с питанием от аккумулятора в полевых условиях.
Давление в емкости контролируется электронным манометром 6. При уменьшении давления в емкости 7 до 100 Па клапан 10 закрывается и открывается клапан 5. Двухфазный поток аэрозолей, примесных газов и воздуха из кратковременного двухфазного выброса капель и паров отбирается в корпус 1 через сетку 3 и фильтр 2 побудителем расхода 7. Расход воздуха Q фиксируется электронным манометром 5 по величине изменения давления в вакуумной емкости 7. При достижении давления в емкости 7 величины близкой к атмосферному значению открывается клапан 13 и осуществляется отбор пробы паров и воздуха в газоанализатор 8 для измерения объемного содержания примесей в воздушном выбросе.
3
В процессе улавливания аэрозольных частиц высокоэффективным фильтром 2 возрастает его сопротивление ΔР при фиксированном расходе Q. Устройство предварительно тарируется. В ходе калибровки измеряется изменение во времени аэродинамического сопротивления фильтра при постоянной массовой нагрузке дисперсных частиц и фиксированном расходе Q. Данные тарировки вводят заранее в измерительный блок 11 датчика 4, где производится определение текущей величины аэродинамического сопротивления фильтра во времени, сравнение ее с данными тарировки и перевод полученных данных в значение массовой концентрации в единице объема воздуха (г/м).
Одновременно с измерением ΔР и массовой концентрации аэрозолей в воздушном потоке детектируются примесные газы газовым сенсором 8. Его тип зависит от химического состава примесных газов. В частности, оптический инфракрасный сенсор типа Mipex (патент РФ №2187093) используется для анализа в воздухе объемной концентрации примесей метана, паров регазифицированного сжиженного газа (СПГ) и топливных жидкостей типа бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и т.п.
Аналоговые сигналы с датчика 4 и газоанализатора 8 усиливаются операционным усилителем, преобразуется аналогоцифровым преобразователем в цифровой и передаются на удаленный компьютер 14 на расстояние L≤1200 м с помощью интерфейса RS-485. Эти устройства установлены в блоке 9 и на Фиг. 1 не показаны.
Пример.
3
4
3
Анализировалась при температуре (25-30)°С смесь воздуха с каплями и парами авиационного керосина в импульсном двухфазном выбросе с аэродинамическим распылением топливной жидкости в атмосфере. Объем выброса составлял от 10 до 10 м, его скорость зависела от времени и варьировалась от 10 до 150 м/с, а длительность составляла менее 3 с.
3
2
Внутренний диаметр цилиндрического корпуса 1 был равен 12 см, его длина и объем ≈ 2 см и 250 см, а геометрическая площадь плоского высокоэффективного стекловолокнистого фильтра 2 составляла S≈100 см с величиной открытой пористости около 90% (Г.И. Вяхирев, А.В. Загнитько, Газодинамическое сопротивление при высокоскоростной очистке газов многослойными металлокерамическими фильтрами, Ж. Теоретические основы химической технологии, 2002, Т. 36, №4, с. 353).
Величина сопротивления ΔР аэрозольного фильтра 2 измерялась датчиком сопротивления МРХ 10DP со следующими основными параметрами: время отклика или быстродействие τ=0,001 с, напряжение постоянного питания от 3 до 6 В, выходное напряжение от приложенного дифференциального сопротивления около 3,5 мВ/кПа, рабочая температура от -40 до +125°С, максимальный измеряемый перепад ΔР=10 кПа.
Аналоговый сигнал с датчика 4 и газоанализатора 8 усиливался операционным усилителем, преобразовывался аналого-цифровым преобразователем в цифровой и передавался блоком 11 на удаленный компьютер с помощью интерфейса RS-485 (на Фиг. 1 не показаны). Быстродействие датчика 4 составляло 0,001 с, а газоанализатора - 0,4 с. Их данные передавались на удаленный компьютер 14 каждые 0,001 с.
Компьютер 14 был расположен на расстоянии L≈900 м от места анализа двухфазного выброса капель и паров керосина ТС-1. Управление устройством осуществлялось из командного сервера на расстоянии около 4 км с использованием оптоволоконного кабеля (на Фиг. 1 не показаны), к которому был подключен компьютер 14.
Малогабаритный форвакуумный насос 12 с производительностью 0,3 литр/с использовался для вакуумирования емкости 7 в течение 60 с в полевых условиях с питанием от аккумулятора.
Электромагнитные клапаны 5, 10 и 13 были прямого действия (2/2) с одним входом и одним выходом. Проходное сечение электромагнитного клапана 5 составляло 20 мм.
5
На фиг. 2б приведена фотография вакуумной емкости 7, на верхней крышке которой установлены электронный манометр 6 и вакуумный электромагнитный клапан 5. Электронный манометр 6 предназначен для измерения абсолютного давления газа в емкости 7 объемом 10 л в диапазоне от 100 до 2,5×10 Па. Измеренное время открывания и закрывания клапана 5 составляет менее 100 и 50 мс, соответственно. В нормальном положении без подачи напряжения 12 В он закрыт.
На фиг. 2а приведена экспериментальная кривая 1 изменения давления ΔP(t) в вакуумированной емкости 7 от времени ее заполнения t паровоздушной смесью из облака капель керосина после открытия электроклапана 5 в момент времени t=00 с.
2
Из анализа данных фиг. 2а следует, что при открытии вакуумного клапана 5, время заполнения предварительно вакуумированной с помощью форвакуумного насоса 12 емкости 7 атмосферным воздухом составляло 1,2 с. Кроме того, изменение давление воздуха в емкости 7 линейно зависело от t и более 90% ее объема было в течение около 0,9 с заполнено газом. Это означает, что объемный расход воздуха через аэрозольный фильтр 2 был постоянен и составлял Q=10 литр/с при t≤0,9 с. В результате скорость течения анализируемого воздуха через фильтр 2 площадью S≈100 см была постоянной и составляла V=Q/S≈1 м/с, а его начальное без уловленного фильтрата дифференциальное сопротивление составляло около 3000 Па.
3
Предварительно, аэрозольный фильтр 2 был прокалиброван путем измерения во времени величины его аэродинамического сопротивления при постоянной массовой нагрузке капель авиационного керосина с массовой концентрацией М=250-300 г/м при Q=10 литр/с и F=1 м/с.
Одновременно, массовая концентрация капель керосина измерялась весовым методом путем их отбора на аналитические стекловолокнистые фильтры (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.).
3
Время открытия электроклапана 5 было синхронизировано с началом импульсного образования двухфазного выброса керосина. В результате при температуре (25-30)°С была измерена массовая концентрация капель М≈300-3540 г/м в центре двухфазного импульсного выброса в виде затопленной струи с аэродинамическим распылением авиационного керосина в атмосфере. Полученные данные удовлетворительно совпадали с величинами их массовой концентрации, измеренные весовым методом.
Для детектирования паров керосина использовался газоанализатор 8 согласно патенту РФ на полезную модель №191610 с инфракрасным сенсором типа Mipex с быстродействием <0,35 с (патент РФ, №2187093), который был откалиброван на объемное содержание примесей керосина при температуре от 5 до 50°С. В процессе измерения его паров отсечной клапан 13 был открыт, и анализируемая смесь из емкости 7 поступала в газоанализатор 8 с помощью побудителя расхода согласно патенту №191610.
В результате были зафиксированы во времени флукутирующие значения объемной концентрации паров керосина в диапазоне от 2-4% об. Их величины в двухфазном выбросе были существенно меньше давления насыщенных паров керосина при температуре анализа около (25-30)°С.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет осуществлять с большой объемной скоростью отбор проб аэрозолей и паров из импульсных двухфазных воздушных потоков для их одновременного анализа путем измерения массовой концентрации дисперсных частиц по изменению величины газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра, детектируемой датчиком его дифференциального сопротивления, а также путем регистрации газоанализатором объемной или массовой концентрации парогазовых примесей углеводородов типа метана, широкой фракции паров регазифицированного сжиженного природного газа, топливных жидкостей типа керосин, бензин, дизельное топливо, мазут и т.п. Кроме того, использование газоанализатора, работающего при низкой температуре, расширяет температурный диапазон использования разработанной полезной модели в область отрицательной температуры до -(80-90)°С. Устройство по прототипу не позволяет одновременно осуществлять анализ концентрации аэрозольных частиц и парогазовых примесей в импульсном двухфазном потоке в области положительных и пониженных температур.