УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ
DEVICE FOR DETECTION OF HARMFUL SUBSTANCES IN AIR

Изобретение относится к области экологии, в частности к санитарно-химическому контролю состояния окружающей среды, и может быть использовано для решения задач обнаружения и измерения концентраций вредных веществ в воздухе.
Известны устройства для измерения качественного и количественного состава воздуха, включающие: побудитель расхода (насос-пробоотборник), обеспечивающий отбор проб воздуха с заданным расходом в течение определенного времени; первичные химические преобразователи (индикаторные трубки, индикаторные бумаги, ленты, плоские индикаторные элементы, импакторы, сорбционные трубки и др.); устройства, обеспечивающие переведение сигнала от первичного химического преобразователя в единицы концентрации вредного вещества (Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны», М., Химия, 1991, стр.26-30, 62-75). Побудитель расхода обеспечивает процесс концентрирования вредных веществ на твердых носителях. После отбора определенного объема воздуха определение вредных веществ осуществляется приборными или визуальными методами. Процесс определения может проводиться либо на поверхности сорбента, как это имеет место при применении индикаторных трубок, лент, импакторов и др., так и после извлечения физическими и/или химическими методами (термические методы, СВЧ нагрев, лазерное испарение и др.). Подобные аналитические приемы реализованы с использованием сорбционных трубок в методиках газовой хроматографии, масс-спектрометрии, спектрометрии ионной подвижности и др.
Среди существующих побудителей расхода известны механические и автоматические аспирационные устройства. Механические насосы-пробоотборники - это, как правило, аспираторы сильфонного типа: АМ-5 (http://www.labteh.com/productID18323/), АМ-0059 (http://www.laborkomplekt.ru/?iid=4262&page=7&sid=7&srid=68), Россия; аспираторы фирмы Drager, Германия (www.sorbent.su/production/drager/Drager.pdf), ручной насос Gas-Tester II MSA фирмы Auer, Германия; (http://s7d9.scene7.com/is/content/minesafetyappliances/safetySCOPE%20catalog%202012%20-%20RU), или плунжерного типа: ВПХР (http://www.tetra-service.ru/index.php?page=shop.product_details&flypage=shop.flypage&product_id=176&category_id=23&manufacturer_id=0&option=com_virtuemart&Itemid=92), НП-3М (http://nikimlt-povolgye.ru/catalog_lvl3/?id=596), Россия; Gastec (labdepot.tiu.ru/p6743456-nasosy-aspiratory-gastec.html), Kitogava (http://christmas-plus.ru/sampler/import/03), Япония. Работа этой группы аспираторов основана на создании разрежения путем ручного сжатия пружины сильфонного аспиратора либо перемещением штока плунжера. Аспираторы позволяют обеспечить достаточно высокую точность отбора определенных объемов (погрешность отобранных объемов воздуха для ряда конструкций не превышает 10%). К недостаткам механических устройств следует отнести невозможность отбора проб воздуха, объем которых некратен числу хода поршня плунжерного насоса или объему сильфона. В процессе отбора проб воздуха, с помощью этих устройств имеет место процесс изменения расхода во времени. Причем этот неконтролируемый фактор в зависимости от аэродинамического сопротивления первичного химического преобразователя влияет на точностные характеристики отбираемых объемов воздуха, что, в конечном итоге, приводит к увеличению погрешности измерения концентраций вредных веществ.
Другим типом побудителей расхода являются аспирационные устройства автоматического типа. В этом ряду известны электроаспираторы, обеспечивающие отбор проб воздуха в широких диапазонах объемного расхода воздуха. Условно их можно разделить на две группы в зависимости от их производительности и назначения. Так, побудители расхода, обеспечивающие объемные расходы от 0.1-3 л/мин, применяются для автоматического отбора проб газов и паров, а устройства, имеющие расходы от 3-400 л/мин, чаще всего находят применение для анализа пыли, взвешенных веществ и мелкодисперсных жидких и твердых аэрозолей. К группе с высокими расходами относятся промышленно выпускаемые устройства: PINOCCHIO SUPER II, Италия (http://www.internationalpbi.it/docs/Minisiti/SAS/Vers.Inglese/leaflets/pinocchio-super-II.pdf), многоканальные автоматические аспираторы типа АПВ-4 (http://www.labteh.com/productID2370/). Установки типа УП: УП 1222 - пневматическая 4-канальная с расходом 20 л/мин; УП 124 АС - пневматическая 3-канальная с расходом 46 л/мин; УП 1124 АС - пневматическая 4-канальная с расходом 62 л/мин; УП 1224 АС - пневматическая 4-канальная с расходом 81 л/мин; УП 1122 АС и УП 1122/55 СРЗ - пневматическая 4-канальная с расходом 42 л/мин (в комплекте таймер и шесть ротаметров) (http://ecolab.kiev.ua/index.php?page=2&cPath=1_2_1846_1847); Пробоотборные устройства типа ПУ: ПУ-3Э/12 и ПУ-3 Э/220 1-5 каналов, с расходом 400 л/мин от внешнего или встроенного аккумулятора (12в 220в) (http://ximko.ru/fullmag.php?bc_tovar_id=3); Пробоотборники типа Тайфун: Тайфун Р-2-2 (МК) 2-канальный портативный; Тайфун Р-20-2 (МС) портативный аспирационный 2-канальный; Тайфун Р-20-20-2-2 (ДМ) 4-канальный переносной (http://standart-m.com.ua/izmeritelnye-pribory/aspiratory/aspiratory-tajfun). Перечисленные устройства предназначены для отбора проб воздуха с заданным расходом в течение заданного промежутка времени. Побудители расхода этого типа применяются для отбора проб воздуха, содержащих взвешенные вещества и аэрозоли, на фильтры. Воздухозаборные устройства такого типа не находят применения для обнаружения и измерения концентраций вредных веществ, находящихся в парогазовом состоянии, ввиду значительной турбулентности воздушных потоков и, вследствие этого, нарушений процессов массопереноса. Подобные устройства оказываются неэффективными также ввиду того, что сорбционные трубки, как и многие другие первичные химические преобразователи, имеют достаточно высокие аэродинамические сопротивления потоку воздуха, что либо значительным образом затрудняет измерение и регулировку объемных расходов, либо вообще не позволяет работать в указанных режимах.
К группе побудителей расхода, применяемых для обнаружения и измерения концентраций вредных веществ в воздухе, можно отнести ряд автоматических аспираторов, создающих при сравнительно низких расходах необходимую степень разрежения в воздушном тракте, что обеспечивает основные условия работы первичных химических преобразователей типа: индикаторные трубки, бумаги, ленты и др. К ним относятся автоматические аспираторы, выпускаемые отечественными и зарубежными производителями: ППХР, УПГК (Россия); Acuro Acuro-2000 Drager, Toxi meter II MSA Auer (Германия).
Побудитель расхода ППХР предназначен для отбора проб воздуха через индикаторные трубки с объемным расходом 1-3 л/мин (http://lib.znate.ru/docs/index-210430.html?page=10). Недостатками данного пробоотборного устройства являются: отсутствие возможности контроля изменения объемного расхода; пульсации насоса; необходимость ручного контроля времени отбора проб; большая погрешность отбираемого объема; невозможность создания необходимого разрежения для работы для ряда индикаторных трубок.
В автоматическом устройстве Acuro Acuro-2000 Drager (Германия), воспроизводящем процесс ручного сжатия сильфона, дозирование пробы осуществляют путем задания с помощью блока управления необходимого количества сжатия сильфона (http://www.laborant.net/catalog/izmeritelnoe_oborudovanie_1001/gazovyjj_analiz_1008/aspiratory_1009/aspirator_accuro_2000_drager_p1858, патент ФРГ №3821831, МПК G01N31/22, опубл. 04.01.90). Устройство характеризуется ограниченными функциональными возможностями и используется только для отбора проб при работе с индикаторными трубками, выпускаемыми фирмой Drager. Наличие сильфонного насоса позволяет реализовать только периодический режим отбора проб воздуха. В конструкции побудителя не предусмотрена возможность контроля расхода воздуха в процессе отбора проб. Прибор не оснащен необходимыми переходными устройствами и насадками и не позволяет осуществлять контроль загрязнений поверхностей предметов и грунта.
Автоматическое устройство - Toximeter II предназначено для выполнения измерений концентраций вредных веществ в воздухе. При этом в качестве первичных химических преобразователей могут быть использованы индикаторные и проботборные трубки. При отборе проб на сорбционные трубки на дисплее устройства можно установить длительность отбора пробы или ее объем. Отбор проб воздуха может быть также осуществлен в газовые мешки или бутыли с коллекторной жидкостью. Устройство может быть использовано при работе во взрывоопасных условиях. По сравнению с ручными аспираторами побудитель позволяет существенно снизить затраты при измерении концентрации токсичных веществ. В случае разряда батареи допустима замена батарейного блока во взрывоопасных условиях (www.tex-x.ru/media/24767/Каталог-MSA-SAFETY_2013.pdf). Недостатками устройства Toximeter II являются: нерегулируемый, низкий расход отбираемых проб, не превышающий 0,333 л/мин; - отсутствие возможности работы с индикаторными трубками, требующими более высокие расходы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для определения вредных веществ в воздухе, содержащее побудитель расхода воздуха и первичный химический преобразователь, при этом побудитель расхода воздуха включает: блок управления, обеспечивающий задание параметров отбираемого воздуха, работу и контроль устройства; воздухопроводящий тракт для транспортировки воздушного потока; соединенный с блоком управления воздушный насос для прокачивания воздуха через воздухопроводящий тракт; автономный источник питания, а первичный химический преобразователь присоединен к воздухопроводящему тракту. В качестве источника питания может быть использован автономный источник, например аккумуляторная батарея, или сеть постоянного или переменного тока 220 В или 18 В. Блок управления и обработки информации обеспечивает задание параметров отбираемого воздуха, контроль и работу устройства. Устройство содержит систему объемного дозирования, включающую соединенную с воздушным трактом камеру дозирования со встроенным дифференциальным датчиком давления. Устройство включает соединенный с блоком управления нагревательный элемент (термодесорбер), канал продуктов термодесорбции, систему пневмоэлектрокоммутации. На выходе воздушного тракта УПГК установлен запорный клапан (патент РФ №2088918 на изобретение «Устройство газового контроля», МПК G01N 31/22, G01N 21/78, опубл. 27.08.1997). Наличие системы дозирования обеспечивает фиксированный отбор объема воздуха, что позволяет осуществлять как периодический, так и непрерывный режимы работы. Устройство, в основном за счет камеры дозирования, имеет большие массогабаритные характеристики. Главным недостатком устройства является отсутствие возможности контроля: объемного расхода в процессе отбора проб, температуры отбираемого воздуха, атмосферного давления и относительной влажности воздуха в процессе отбора проб, что затрудняет определение точностных характеристик отбираемых объемов. Устройство не позволяет так же аппаратурными методами контролировать колориметрические изменения первичных химических преобразователей, а блок управления устройства-прототипа не имеет возможностей считывания и цифровой обработки информации от первичных химических преобразователей, что отражается на точности считывания информации с первичного химического преобразователя и быстродействии работы устройства. Устройство не имеет специальных приспособлений, обеспечивающих удобство и упрощение ручных операций при использовании индикаторных средств, вскрывании ампул. Использование устройства в нестационарных (полевых) условиях затруднительно, что отрицательно влияет на технические показатели работы устройства.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для определения вредных веществ в воздухе, обладающего более высокими метрологическими характеристиками отбора определенных объемов воздуха, в том числе с расходами 0,2÷3,0 л/мин, в диапазонах температур -40÷+50°С, атмосферного давления 730÷790 мм ртутного столба и относительной влажности 30÷90%.
Технические результаты, достигаемые во всех случаях осуществления заявляемого технического решения, заключаются в:
- повышении точности отбираемых объемов воздуха;
- повышении быстродействия работы устройства;
- обеспечении контроля и фиксация параметров отбираемого воздуха (объемный расход воздуха, атмосферное давление, температура и влажность);
- повышении удобства использования.
Технические результаты, достигаемые в отдельных случаях осуществления заявляемого технического решения, заключаются в:
- повышении точности считывания информации с первичного химического преобразователя;
- обеспечении технического контроля и фиксации колориметрических изменений первичного химического преобразователя;
- снижении габаритных размеров и веса устройства;
- расширении функциональных возможностей.
Заявленные технические результаты достигаются за счет того, что устройство для определения вредных веществ в воздухе содержит побудитель расхода воздуха и первичный химический преобразователь, при этом побудитель расхода воздуха включает: блок управления, обеспечивающий задание параметров отбираемого воздуха, работу и контроль устройства; воздухопроводящий тракт для транспортировки воздушного потока; соединенный с блоком управления воздушный насос для прокачивания воздуха через воздухопроводящий тракт; автономный источник питания, а первичный химический преобразователь присоединен к воздухопроводящему тракту. Устройство при этом содержит датчики расхода и температуры прокачиваемого воздуха, размещенные в воздухопроводящем тракте, а также датчики атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха, размещенные вне воздухопроводящего тракта, а блок управления содержит средство отображения информации; по меньшей мере, одну кнопку управления и электронную схему, обеспечивающую: фиксацию данных от датчиков, определение плотности воздуха, регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха, корректировку времени отбора пробы воздуха, аналого-цифровое преобразование получаемых и передаваемых данных.
Предпочтительно, чтобы блок управления содержал электронную схему, обеспечивающую регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха путем изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель воздушного насоса методом широтно-импульсной модуляции.
В отдельных случаях выполнения связь между блоком управления и воздушным насосом может быть выполнена посредством проводной или беспроводной связи.
В отдельных случаях выполнения блок управления может содержать дополнительный источник автономного питания для обеспечения беспроводной связи.
Предпочтительно, чтобы воздухопроводящий тракт, воздушный насос, автономный источник питания, датчики расхода и температуры воздушного потока были размещены в корпусе, а средство отображения информации, кнопки управления, датчики атмосферного давления и относительной влажности воздуха были размещены на панели управления, установленной на корпусе.
В отдельных случаях выполнения средство отображения информации может быть выполнено в виде жидкокристаллического, предпочтительно сенсорного, дисплея, и/или, по меньшей мере, одного светодиода.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало связанный с блоком управления блок считывания информации с первичного химического преобразователя.
В отдельных случаях выполнения блок считывания информации с первичного химического преобразователя может быть выполнен в виде видеокамеры или тепловизора.
В отдельных случаях выполнения блок считывания информации с первичного химического преобразователя может быть размещен на панели управления, установленной или на корпусе устройства, или дистанционно.
В некоторых случаях выполнения блок считывания информации с первичного химического преобразователя может быть связан с блоком управления посредством проводной или беспроводной связи.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало приспособление для герметичного присоединения первичного химического преобразователя к воздухопроводящему тракту.
Предпочтительно, чтобы приспособление для герметичного присоединения первичного преобразователя к воздухопроводящему тракту включало: размещенный на корпусе штуцер с наружной резьбой в верхней своей части для навинчивания прижимной гайки; прижимную гайку; размещенные внутри штуцера уплотнительную втулку с отверстием, фильтр механической очистки, защитный поролоновый вкладыш.
Предпочтительно, чтобы отверстие в уплотнительной втулке было выполнено конусным.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало насадку для работы в задымленных условиях или с сыпучим грунтом.
Предпочтительно, чтобы корпус дополнительно содержал ручку, соединенную с корпусом посредством основания.
Предпочтительно, чтобы ручка была выполнена полой, а автономный источник питания был размещен во внутренней полости ручки.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало запорный клапан, размещенный внутри закрепленного на корпусе металлического футляра с защитной сеткой, сопряженного с выходом воздухопроводящего тракта.
В отдельных случаях выполнения в качестве первичного преобразователя может быть использована индикаторная трубка, или индикаторная бумага, или плоский элемент, или индикаторная лента, или импактор, или сорбционная трубка.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало закрепленный на корпусе блок подготовки индикаторных трубок к работе, включающий: приспособление для надпиливания концов индикаторных трубок, отверстие для обламывания надпиленных концов и приспособление для вскрывания ампул.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало закрепленный на корпусе держатель для кассеты с индикаторными трубками.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало выполненный на корпусе электрический разъем для подключения к внешнему источнику питания.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало петли для крепления ремня для переноски устройства.
Предпочтительно, чтобы в качестве автономного источника питания была использована литиевая батарея.
Наличие датчиков расхода температуры прокачиваемого воздуха, размещенных в воздухопроводящем тракте, а также датчиков атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха, размещенных вне воздухопроводящего тракта, а блока управления - содержащим электронную схему, обеспечивающую: фиксацию данных от датчиков, определение плотности воздуха, регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха, корректировку времени отбора пробы воздуха, аналого-цифровое преобразование получаемых и передаваемых данных позволяет контролировать прокачанный объем воздуха, погрешности отбираемого объема воздуха и вырабатывать сигналы по изменению расхода; регулировать напряжение на электродвигатель воздушного насоса; подачу полного электропитания устройства; переведение устройства в «спящий» и ждущий режим; формировать оптимальную скважность импульсов напряжения, поступающих на двигатель воздушного насоса, и переключение схемы работы устройства при использовании внешних источников питания 16в, 18в, 12в. Наличие в блоке управления средства отображения информации позволяет визуализировать параметры отбираемого воздуха (объемный расход воздуха, атмосферное давление, температура и влажность) и режима работы устройства, фиксацию состояния (степени заряда) аккумуляторной батареи, а наличие кнопок управления упрощает работу оператора.
Наличие блока считывания информации, выполненного в виде видеокамеры, позволяет осуществлять фиксацию параметров и площади калориметрических изменений на первичном химическом преобразователе, а в виде тепловизора - фиксацию параметров температурных изменений первичного химического преобразователя в инфракрасном диапазоне для контроля происходящих в нем сорбционных процессов. Наличие видеокамеры позволяет также визуализировать стадии работы устройства, оперативно управлять этапами процесса.
Блок управления обеспечивает связь с блоком считывания информации с первичного химического преобразователя и обработку потока данных с видео- и/или тепловизорной камер об интенсивности и площади колористических и/или температурных переходов, возникающих в первичном химическом преобразователе от воздействия вредных веществ. Блок обработки в численные значения концентраций вредного вещества в воздухе обеспечивает повышение точности считывания информации с первичного химического преобразователя и исключает ошибки оператора при субъективной оценке колористических переходов. Наличие проводных или беспроводных связей между блоками управления и считывания информации, датчиками и двигателем воздушного насоса; использование различных видов первичных химических преобразователей - индикаторной трубки, или индикаторной бумаги, или плоского элемента, или индикаторной ленты, или импактора, или сорбционной трубки; наличие насадки для работы в задымленных условиях или с сыпучим грунтом расширяют функциональные возможности устройства. Наличие приспособления для герметичного присоединения первичного преобразователя к воздухопроводящему тракту, включающего: размещенный на корпусе штуцер с наружной резьбой в верхней своей части для навинчивания прижимной гайки; прижимную гайку; размещенные внутри штуцера: резиновую втулку с отверстием, предпочтительно конусным; фильтр механической очистки; защитный поролоновый вкладыш позволяет сократить непроизводственные потери времени на подготовку устройства к работе, обеспечивая точное размещение первичного преобразователя и герметичность присоединения первичного химического преобразователя, исключить попадание внутрь устройства твердых частиц, например осколков стекла. Наличие ручки обеспечивает оператору возможность держать устройство в руке, а наличие основания, посредством которого ручка соединена с корпусом, придает устойчивость при установке на горизонтальную поверхность. Наличие запорного клапана, сопряженного с выходом воздушного тракта, обеспечивает его ремонтодоступность, а наличие защитной сетки исключает попадание посторонних частиц и влаги внутрь воздушного тракта. Наличие приспособления для подготовки к работе индикаторных трубок, включающего: канал для надпиливания концов индикаторных трубок; приспособление для обламывания надпиленных концов; приспособление для вскрытия ампул. Наличие приспособления для крепления кассеты с индикаторными трубками с гибкой прижимной планкой для надежного крепления кассеты позволяет оптимизировать процесс подготовки устройства к работе и сократить непроизводительные потери. Наличие на корпусе электрического разъема (гнезда) для подключения к внешнему источнику питания позволяет использовать внешний источник питания и осуществлять подзарядку батареи. Наличие на корпусе петлей для крепления ремня облегчает его транспортировку.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показывает, что во всех случаях выполнения заявляемое устройство отличается от известного, наиболее близкого по технической сущности решения:
- наличием датчиков расхода, температуры, атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха;
- выполнением датчиков расхода и температуры прокачиваемого воздуха, размещенными в воздухопроводящем тракте;
- выполнением датчиков атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха, размещенными вне воздухопроводящего тракта;
- выполнением блока управления, содержащим: средство отображения информации; по меньшей мере, одну кнопку управления и электронную схему, обеспечивающую: фиксацию данных от датчиков, определение плотности воздуха, регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха, корректировку времени отбора пробы воздуха, аналого-цифровое преобразование получаемых и передаваемых данных.
В отдельных случаях выполнения заявляемое техническое решение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
- выполнением электронной схемы, обеспечивающей регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха путем изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель воздушного насоса методом широтно-импульсной модуляции;
- выполнением связей между блоком управления и воздушным насосом посредством проводной или беспроводной связи;
- выполнением блока управления, содержащим дополнительный источник автономного питания для обеспечения беспроводной связи;
- выполнением электронной схемы, воздухопроводящего тракта, воздушного насоса, автономного источника питания, датчиков расхода и температуры воздушного потока размещенными в корпусе, а средства отображения информации, кнопок управления, датчиков атмосферного давления и относительной влажности воздуха - размещенными на панели управления, установленной на корпусе;
- выполнением средства отображения информации в виде жидкокристаллического, предпочтительно сенсорного, дисплея, и/или, по меньшей мере, одного светодиода;
- наличием блока считывания информации с первичного химического преобразователя;
- выполнением блока считывания информации с первичного химического преобразователя в виде видеокамеры и/или тепловизорной камеры;
- выполнением блока считывания информации с первичного химического преобразователя размещенным на панели управления, установленной либо на корпусе устройства, либо дистанционно;
- выполнением блока считывания информации с первичного химического преобразователя связанным с блоком управления посредством проводной или беспроводной связи;
- наличием приспособления для герметичного присоединения первичного химического преобразователя к воздухопроводящему тракту;
- выполнением приспособления для герметичного присоединения первичного преобразователя к воздухопроводящему тракту включающим: размещенный на корпусе штуцер с наружной резьбой в верхней своей части для навинчивания прижимной гайки; прижимную гайку; размещенные внутри штуцера: уплотнительную втулку с отверстием, предпочтительно конусным; фильтр механической очистки; защитный поролоновый вкладыш;
- наличием насадки для работы в задымленных условиях или с сыпучим грунтом;
- наличием ручки, соединенной с корпусом посредством основания;
- выполнением ручки полой;
- размещением автономного источника питания во внутренней полости ручки;
- наличием запорного клапана, размещенного внутри закрепленного на корпусе металлического футляра с защитной сеткой, сопряженного с выходом воздухопроводящего тракта;
- наличием закрепленного на корпусе блока подготовки индикаторных трубок к работе, включающего: приспособление для надпиливания концов индикаторных трубок, отверстие для обламывания надпиленных концов и приспособление для вскрывания ампул;
- наличием закрепленного на корпусе держателя для кассеты с индикаторными трубками;
- наличием на корпусе электрического разъема для подключения к внешнему источнику питания;
- наличием петель для крепления ремня для переноски устройства.
Предпочтительный вариант предлагаемого технического решения иллюстрируется структурной схемой, представленной на фиг. 1.
Устройство для определения вредных веществ в воздухе содержит побудитель расхода воздуха 1, первичный химический преобразователь 2. Побудитель расхода воздуха 1 включает: блок управления 3; воздухопроводящий тракт 4 для транспортировки воздушного потока; связанные с блоком управления 3 воздушный насос 5 с электродвигателем для прокачивания воздуха через воздухопроводящий тракт 4; автономный источник питания 7. Первичный химический преобразователь 2, которым может являться или индикаторная трубка, или индикаторная бумага, или плоский элемент, или индикаторная лента, или импактор, или сорбционная трубка, присоединен к воздухопроводящему тракту 4. Побудитель расхода воздуха содержит датчик расхода 8, датчик температуры 9, размещенные в воздухопроводящем тракте 4, а также датчик атмосферного давления 10 и датчик относительной влажности прокачиваемого воздуха 11, размещенные вне воздухопроводящего тракта 4. Блок управления 3 содержит средство отображения информации 12, выполненное в виде жидкокристаллического, предпочтительно сенсорного, дисплея, и/или, по меньшей мере, одного светодиода; по меньшей мере, одну кнопку управления 13 на панели управления 15 и электронную схему (на чертеже не показана), обеспечивающую: задание параметров отбираемого воздуха, работу и контроль устройства, фиксацию данных от датчиков, определение плотности воздуха, регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха (в том числе путем изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель воздушного насоса методом широтно-импульсной модуляции), корректировку времени отбора пробы воздуха, аналого-цифровое преобразование получаемых и передаваемых данных. Датчики 8-11 связаны с блоком управления 3. Связи между блоком управления 3, воздушным насосом 5 и датчиками 8-11 выполнены посредством проводной (например, кабель) или беспроводной (например, радиоканалы в различных диапазонах частот и типов кодировки - WI-FI, Bluetooth и др.) связей (на чертеже не показаны). Для обеспечения беспроводной связи блок управления 3 может содержать дополнительный источник автономного питания (на чертеже не показан). Устройство содержит корпус 14, в котором размещены электронная схема (на чертеже не показана), воздухопроводящий тракт 4, воздушный насос с электродвигателем 5, автономный источник питания 7, датчики расхода 8 и температуры воздушного потока 9. На корпусе 14 установлен блок управления 3. В качестве дополнительного оборудования устройство содержит блок 16 считывания информации об изменениях в первичном химическом преобразователе 2, связанный с блоком управления 3 посредством проводной или беспроводной связи. В различных вариантах исполнения блок 16 считывания информации может быть выполнен в виде видеокамеры и/или тепловизорной камеры на корпусе прибора, или дистанционно от устройства (на чертеже не показано). Для герметичного присоединения первичного химического преобразователя 2 к воздухопроводящему тракту 4 устройство содержит приспособление 6, включающее: размещенный на корпусе 14 штуцер 17 с наружной резьбой для навинчивания прижимной гайки 18. Внутри штуцера 17 размещены: уплотнительная (например, резиновая) втулка с отверстием, предпочтительно конусным, фильтр механической очистки, защитный поролоновый вкладыш (на чертеже не показаны). Для работы в задымленных условиях или с сыпучим грунтом устройство содержит насадку 19 (например, для крепления противодымных фильтров). Устройство содержит автономный источник питания 7, в качестве которого может быть использована литиевая батарея, помещенная в полую ручку 20, соединенную с корпусом 14 посредством основания 21. На выходе воздухопроводящего тракта 4 установлен запорный клапан 22, размещенный внутри закрепленного на корпусе 14 металлического футляра с защитной сеткой, сопряженного с выходом (на чертеже не показан). Устройство содержит закрепленный на корпусе 14 блок подготовки индикаторных трубок к работе 23, включающий приспособление 24 для надпиливания концов индикаторных трубок, отверстие 25 для обламывания надпиленных концов и приспособление 26 для вскрывания ампул. Устройство содержит закрепленный на корпусе держатель 27 для кассеты с индикаторными трубками и петли 29 для крепления ремня для переноски устройства. На корпусе 14 выполнен электрический разъем 28 для подключения к внешнему источнику питания.
На примере использования индикаторной трубки в качестве первичного химического преобразователя 2 устройство работает следующим образом.
Устройство включают с помощью кнопки управления 13. После прохождения внутреннего теста на средстве отображения информации 12 отображается информация о готовности прибора к работе - загорается светодиод или на цифробуквенном дисплее появляется соответствующая надпись и отражается состояние аккумуляторной батареи 7 в виде процента заряда. Из кассеты, находящейся в держателе 27, вынимают первичный химический преобразователь 2, в качестве которого использована индикаторная трубка (далее - индикаторная трубка 2), вскрывают ее с помощью приспособлений 24, 25, 26. Для выполнения этой операции цилиндрический конец индикаторной трубки 2 устанавливают перпендикулярно в канал 24 для надпиливания концов индикаторных трубок и выполняют вращательное движение корпусом индикаторной трубки 2 вокруг ее вертикальной оси, при этом на конце стеклянной индикаторной трубки 2 образуется кольцо надпила. Надпиленный конец вставляют в отверстие 25 и обламывают движением на излом. Для выполнения операции смачивания наполнителя, вскрытую с обоих концов индикаторную трубку помещают в приспособление 26 для вскрытия ампул так, чтобы штырь ампуловскрывателя оказался внутри корпуса индикаторной трубки 2 и легким нажатием разбивают ампулу. Вытекающий из ампулы индикаторный раствор должен полностью смочить реакционный наполнитель индикаторной трубки 2. Подготовленную к работе индикаторную трубку 2 присоединяют к обтюраторному приспособлению 6 воздушного тракта 4. При работе в задымленных условиях на внешнюю резьбу прижимной гайки 18 приспособления 6 накручивают противодымную насадку 19, в зажиме которой закрепляется противодымный фильтр (на чертеже не показан). При определении зараженности грунта внутрь насадки 19 помещают колпачок с исследуемым грунтом (на чертеже не показан), который накрывают противодымным фильтром для предотвращения просыпания пробы грунта во время проведения анализа, и закрепляют в зажиме насадки. С помощью кнопок управления 13 на панели управления 15 включают отбор пробы воздуха. Работа воздушного насоса 5 автоматически регулируется блоком управления 3 в соответствии с выбранным режимом вне зависимости от внутреннего сопротивления индикаторной трубки. Информация о текущем состоянии устройства отражается на средстве отображения информации 12. Это либо постоянное свечение светодиода, либо отображение процента отобранного воздуха на цифробуквенном дисплее. После отбора заданного объема воздуха контрольный светодиод начинает работать в мигающем режиме и насос 5 выключается. При комплектации устройства блоком считывания информации 16 в виде видеокамеры или тепловизора определение концентрации по показаниям индикаторной трубки 2 проводится автоматически. В простой комплектации при отсутствии видеокамеры индикаторную трубку 2 отсоединяют от обтюраторного приспособления 6 и измерение концентрации вредного вещества проводят визуально по длине изменившего первоначальную окраску слоя наполнителя индикаторной трубки 2. В случае разряда аккумуляторной батареи 7 работа устройства может осуществляться от внешнего источника питания, путем подключения кабеля электропитания к электрическому разъему 28.
Аналогичным образом осуществляется работа с другими видами первичных химических преобразователей. Оператор подсоединяет к обтюраторному приспособлению 6 требуемый первичный преобразователь 2, выбирает с помощью кнопок управления 13 программу работы устройства с соответствующем типом первичного химического преобразователя 2 и нажимает кнопку пуска двигателя насоса 5. В меню устройства записан информационный массив первичных химических преобразователей, который связан с параметрами, записанными в памяти электронной схемы блока управления 3, необходимыми для регулирования величины расходов воздуха в зависимости от данных измерительных датчиков 8, 9, 10, 11 и пересчета колориметрических изменений, фиксируемых блоком считывания информации 16 в единицы концентрации вредного вещества. В процессе измерения концентрации вредного вещества информация о расходно-напорных характеристиках воздуха, его температуре, давлении и влажности, поступает на блок управления 3 от датчиков расхода воздуха 8, температуры 9 и атмосферного давления 10. По поступающим данным процессором электронной схемы определяется конкретная программа корректировки и регулирования. В процессе отбора пробы воздуха, измеряемые параметры температуры, давления и влажности, используются блоком 3 для определения плотности отбираемого воздуха и приведения его к нормальным климатическим условиям. Регулирование объемного расхода осуществляется блоком управления 3 путем изменения подаваемого напряжения на электродвигатель насоса 5 методом широтно-импульсной модуляции. Пересчет колориметрических изменений первичного химического преобразователя, фиксируемых блоком считывания информации 16 (видеокамерой или тепловизором), в единицы концентрации вредного вещества осуществляется блоком 3 после завершения отбора пробы воздуха. Полученные значения концентраций вредного вещества корректируются так же с учетом показаний датчика влажности 11 и приводятся к нормальным климатическим условиям в зависимости от текущих значений датчиков температуры 9 и давления 10. Конструкция насоса позволяет проводить отбор объемов воздуха с абсолютной погрешностью, не превышающей 3-10% в диапазоне температур -30°C÷+50°C атмосферном давлении 730-770 мм рт.ст. и относительной влажности воздуха 5-80%.
ПЕРЕЧЕНЬ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1 - побудитель расхода воздуха
2 - первичный химический преобразователь
3 - блок управления
4 - воздухопроводящий тракт для транспортировки воздушного потока
5 - электродвигатель для прокачивания воздуха через воздухопроводящий тракт
6 - устройство для герметичного для присоединения первичного химического преобразователя (обтюраторное приспособление)
7 - автономный источник питания
8 - датчик расхода
9 - датчик температуры
10 - датчик атмосферного давления
11 - датчик относительной влажности прокачиваемого воздуха
12 - средство отображения информации
13 - кнопки управления
14 - корпус
15 - панель управления
16 - блок считывания информации об изменениях первичного химического преобразователя
17 - штуцер
18 - прижимная гайка
19 - насадка для работы в задымленных условиях или с сыпучим грунтом
20 - полая ручка
21 - основание
22 - запорный клапан,
23 - блок подготовки индикаторных трубок к работе
24 - приспособление для надпиливания концов индикаторных трубок
25 - отверстие для обламывания надпиленных концов
26 - приспособление для вскрывания ампул
27 - держатель для кассеты с индикаторными трубками
28 - электрический разъем для подключения к внешнему источнику питания
29 - петли для крепления ремня для переноски устройства