УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ И ПРИМЕСНЫХ ГАЗОВ В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ

Область техники.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения массовой концентраций аэрозолей и газовых примесей в атмосфере и двухфазных выбросах, экологического мониторинга окружающей среды и предупреждения техногенных аварий.
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 №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 является невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и газов в воздухе.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) 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 воздушном потоке.
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 в виде сетки, установленной снаружи катушки. Устройство подключено к побудителю расхода анализируемого газа. Его недостатком является невозможность одновременного определения 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.
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. 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 атмосфере.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для измерения концентрации аэрозолей и примесных газов в воздушном потоке путем одновременного определения концентрации газообразных и аэрозольных примесей в анализируемом потоке воздуха.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения концентрации аэрозолей и примесных газов в воздушном потоке, включающее цилиндрический корпус с аэрозольным фильтром, блок измерения его газодинамического сопротивления, побудитель фиксированного расхода анализируемого воздуха, при этом на входе цилиндрического корпуса установлена защитная и газораспределительная металлическая сетка, после аэрозольного фильтра в цилиндрическом корпусе перед побудителем фиксированного расхода анализируемого воздуха установлен соосно газовый сенсор, подключенный к электронному блоку питания.
Кроме того, в качестве газового сенсора используется оптический инфракрасный или химический сенсор.
Кроме того, в качестве аэрозольного фильтра используется стекловолокнистый фильтр с открытой пористостью более 90% или металлический мембранный фильтр с многослойной пористой структурой с открытой пористостью более 30%.
3
Стекловолокнистый фильтр с открытой пористостью более 90% используется для регистрации аэрозолей с массовой концентрацией М > 5-10 г/м. При меньших значениях М устанавливается металлический мембранный фильтр с многослойной пористой структурой с открытой пористостью более 30%.
В результате создания устройства, включающего цилиндрический корпус для аспирации воздуха с аэрозольным фильтром на входе в него, блок измерения его газодинамического сопротивления, побудитель фиксированного расхода анализируемого воздуха, и соосного расположения в цилиндрическом корпусе для аспирации воздуха после аэрозольного фильтра перед побудителем фиксированного расхода анализируемого воздуха оптического инфракрасного или химического газового сенсора, подключенного к электронному блоку питания и регистрации его данных, достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно осуществляется одновременный и непрерывный 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 1 с газоанализатором с оптическим инфракрасным сенсором типа Mipex, согласно патенту РФ №2187093.
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. Предварительно аэрозольный фильтр калибруется путем детектирования величины изменения его газодинамического сопротивления от массы уловленного фильтрата при заданном объемном расходе анализируемого воздуха.
Металлическая сетка на входе цилиндрического корпуса установлена для защиты аэрозольного фильтра от импакции крупных аэрозольных частиц и выравнивания профиля давления и скорости воздушного потока в корпусе, что повышает точность измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения концентрации аэрозолей и примесных газов в воздушном потоке, где:
1 - цилиндрический корпус;
2 - аэрозольный стекловолокнистый фильтр или металлический мембранный фильтр с многослойной структурой;
3 - газовый сенсор;
4 - выходной патрубок газового потока в виде круглого конфузора;
5 - побудитель расхода анализируемого воздуха через устройство;
6 - электронной блок питания и регистрации данных газового сенсора;
7 - блок измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра;
8 - защитная и газораспределительная сетка;
9 - круглый конфузор;
Q - объемный расход анализируемого воздуха через устройство.
На фиг. 2 изображена зависимость сопротивления МКФ-F от времени накопления твердого осадка при постоянной массовой концентрации аэрозольного потока.
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения концентрации аэрозолей и примесных газов в воздушном потоке. Устройство содержит цилиндрический корпус 1, в котором расположен аэрозольный фильтр 2, подключенный к блоку 7 для измерения его газодинамического, дифференциального сопротивления воздушному потоку. В центре корпуса 1 после фильтра 2 установлен соосно газовый оптический инфракрасный или химический сенсор 3, соединенный с блоком его питания и регистрации данных 6. На выходе канала 1 соосно размещен выходной цилиндрический патрубок газового потока 4 в виде конфузора, состыкованного с побудителем расхода анализируемого воздуха 5. Металлическая сетка 8 на входе цилиндрического корпуса 1 установлена для защиты аэрозольного фильтра от импакции крупных дисперсных частиц и выравнивания профиля давления и скорости воздушного потока в корпусе 1, что повышает точность измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра 2. Анализируемый воздушный поток поступает к фильтру 2 через сетку 8 и конфузор 9.
Величина объемного расхода анализируемого газа через устройство Q ≈ 0,3-5 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>99,99%. Величина диаметра фильтра 2 варьируется от 5 до 15 см в зависимости от выбора значений объемного расхода газа Q.
3
Стекловолокнистый аэрозольный фильтр 2 с открытой пористостью более 90% используется для анализа относительно больших массовых концентраций дисперсной фазы в воздушном потоке М > 5-10 г/м. При меньших значениях М устанавливается металлический аэрозольный фильтр с открытой пористостью более 30% для повышения временной чувствительности устройства. Размер квадратных ячеек металлической сетки 8 составляет от 3×3 до 5×5 мм.
2
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.
3
Устройство работает следующим образом. Двухфазный поток аэрозолей, примесных газов и воздуха отбирается в корпус 1 через сетку 8 и фильтр 2 побудителем расхода 5. 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 датчика 7, 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 3. 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.
Аналоговый сигнал с датчика 7 и сенсора 3 усиливается операционным усилителем, аналого-цифровым преобразователем (на фиг. 1 не показаны) преобразуется в цифровой и передается на удаленный компьютер на (100-1000) м с помощью интерфейса RS-485.
Пример.
2
Диаметр корпуса 1 составлял 10 см, его длина - 15 см, а геометрическая площадь плоского металлического мембранного фильтра 2 с многослойной пористой структурой типа МКФ-F для тонкой фильтрации была равна 50 см(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). Его открытая пористость составляла около 45%. Для детектирования примесей легких углеводородов использовался сенсор 3 типа Mipex с быстродействием < 0,35 с (патент РФ, №2187093), который был откалиброван на объемное содержание примесей метана от 1 до 99% об. в воздухе при температуре от 5 до 50°С. 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 7 и сенсора 3 усиливался операционным усилителем, преобразовывался аналого-цифровым преобразователем в цифровой и передавался на удаленный компьютер на (100-1000) м с помощью интерфейса RS-485. Размер квадратных ячеек сетки 8 из нержавеющей стали составлял 4×4 мм.
Быстродействие датчика 7 составляло 0,001 с, а сенсора 3-0,15 с. Их данные передавались на удаленный компьютер каждые 0,001 с.
4
Анализировались при температуре 25°С смеси различной концентрации метана и твердых аэрозольных частиц тетрахлорида циркония (ZrCl) в воздушном потоке. Аэрозоль получали в химическом реакторе методом спонтанной конденсации пересыщенных паров тетрахлорида циркония (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.).
4
0
0
4
3
2
3
2
Предварительно металлический фильтр 2 был прокалиброван путем измерения во времени величины его аэродинамического сопротивления при постоянной массовой нагрузке дисперсных частиц ZrCl, постоянном расходе Q=500 см/с и скорости фильтрации 10 см/с. В качестве примера на рис. 2 приведена тарировочная зависимость отношения сопротивления ΔР металлического аэрозольного фильтра 2 типа МКФ-F для тонкой очистки в режиме накопления твердого осадка к его начальному без осадка сопротивлению ΔР от величины массовой нагрузки фильтрата дисперсных частиц m на 1 см геометрической площади фильтрующей поверхности МКФ-F. Измерение отношения ΔР/ΔР осуществлялось в процессе улавливании твердых частиц ZrCl диаметром от 0,2 до 5 мкм и массовой концентрацией (1-1,2) г/м при постоянной скорости фильтрации 10 см/с. Из анализа данных фиг. 2 следует, что первоначальная зависимость сопротивления МКФ-F от времени накопления твердого осадка при постоянной массовой концентрации аэрозольного потока является практически линейной. Однако, при накоплении фильтрата аэрозольных частиц m>0,015 мг/см зависимость ΔР от времени t становится нелинейной. Это обусловлено уплотнением пористой структуры осадка под действием аэродинамического давления газа. Анализ аэрозольных частиц в существенно нелинейном режиме изменения ΔР от m может привести к значительной ошибке измерений и, поэтому, должен быть исключен. В этом случае аэрозольный фильтр 2 подлежит регенерации или замене.
4
3
Одновременно, массовая концентрация твердых частиц измерялась весовым методом путем их отбора на аналитические стекловолокнистые фильтры (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.). В результате была измерена массовая концентрация частиц ZrCl диаметром ≈ 0,2-5 мкм в диапазоне от 0,1 до 2 г/м в воздушном потоке технологической линии получения тетрахлорида циркония от времени. Полученные данные удовлетворительно совпадали с величинами их массовой концентрации, измеренные весовым методом. Одновременно, фиксировались флуктуирующие во времени значения объемной концентрации метана в диапазоне от 1 до 6% об.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет, одновременно, осуществлять анализ в атмосфере массовой концентрации аэрозольных частиц по изменению величины газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра, измеряемой датчиком его дифференциального сопротивления, а также регистрировать газовым сенсором объемную или массовую концентрацию в воздухе парогазовых примесей типа метана, широкой фракции паров регазифицированного сжиженного природного газа, топливных жидкостей типа керосин, бензин, дизельное топливо и т.п. Устройство по прототипу не позволяет одновременно осуществлять анализ концентрации аэрозольных частиц и парогазовых примесей в атмосфере.