Устройство для высокоскоростного отбора проб воздуха

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к созданию приборов для научных исследований физики и химии атмосферы в части наблюдений турбулентных потоков парниковых газов в атмосфере, в том числе метана, и может применяться в процессе фундаментальных и прикладных научных экспериментальных измерений концентраций, турбулентных потоков и эмиссий метана, а также других газовых примесей атмосферы.
В некоторых областях науки и техники в ряде случаев возникает задача осуществления высокоскоростного отбора пробы воздуха, при решении которой, как правило, бывает необходимо заполнить пробой окружающего воздуха герметичный сосуд объемом порядка одного или нескольких кубических дециметров за время порядка десятых долей секунды, с последующей подачей отобранной пробы в газоанализатор с целью определения ее химического состава.
В частности, в экспериментальных исследованиях физики и химии атмосферы высокоскоростной отбор проб оказывается необходимым при проведении экспериментального определения значений турбулентных потоков парниковых газов, в том числе метана. Один из применяемых методов измерения турбулентных потоков, а именно т.н. метод разъединенного накопления микровихрей, как раз основан на высокоскоростном отборе проб воздуха с указанными выше параметрами.
Известно устройство вакуумного газонаборного сосуда, состоящего из корпуса с входным штуцером и крепежным приспособлением. Газонаборный сосуд снабжен ограниченно подвижной относительно корпуса насадкой и хрупким фиксатором, закрепленным в боковых отверстиях корпуса и насадки. Один конец фиксатора глухой, а другой соединен через гибкий шланг с входным штуцером сосуда. Предварительно вакуумированный сосуд запирается этим фиксатором, который в момент отбора пробы управляемо разрушается, открывая доступ пробе воздуха в сосуд (SU 299767, кл. G01N 1/22, 1971 г).
Описанный газонаборный сосуд конструктивно адаптирован только для отбора рудничных газов. Из-за большой длительности подготовки сосудов к отбору проб (вакуумированию и установке фиксаторов) данный сосуд неприменим для высокоскоростного отбора проб в рассматриваемом методе разъединенного накопления микровихрей.
Известно устройство отбора проб, которое состоит из двух сосудов из нержавеющей стали, объемом около одного кубического дециметра каждый, снабженных электромагнитными клапанами для сообщения с окружающей средой, откуда отбираются пробы, а также сообщения с вакуумным насосом и газоанализатором. При заборе воздуха вытеснение отобранного воздуха из сосудов в газоанализатор осуществляется в данном устройстве перемещающимися внутри сосудов поршнями, приводимыми в движение электроприводами. [Baghi, R., Durand, P., Jambert, C., Jarnot, C., Delon, C., Serça, D., Striebig, N., Ferlicoq, M., and Keravec, P.: A new disjunct eddy-covariance system for BVOC flux measurements – validation on CO2 and H2O fluxes, Atmos. Meas. Tech., 5, 3119–3132, DOI: 10.5194/amt-5-3119-2012, 2012].
Недостатком этого устройства является его существенные габариты и сложность конструкции, связанная с применением поршней и электроприводов, снижающая надежность устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемой полезной модели является устройство, которое состоит из двух сосудов из нержавеющей стали, объемом около одного кубического дециметра каждый, снабженных тремя электромагнитными клапанами для отбора пробы из окружающей среды, откачивания воздуха из сосудов и подачи пробы в газоанализатор [Rinne,H.J.I., Guenther, A.B., Warneke, C., de Gouw, J.A., Luxembourg, S.L. Disjunct eddy covariance technique for trace gas flux measurements. Geophysical Research Letters, 28 (16), 3139-3142, DOI: 10.1029/2001GL012900, 2001].
К недостаткам этого устройства, применительно к его использованию в методе разъединенного накопления микровихрей, относится неудобство его эксплуатации, т.к. оно состоит из отдельных несвязанных между собой элементов, которые необходимо собирать в единую конструкцию на месте измерения. Также в отношении этого устройства не приняты меры против искажения вертикальных потоков воздуха размещением этого устройства в месте измерения. Кроме того, использование сосудов из нержавеющей стали может приводить к химическому разложению некоторых газовых примесей при контакте со стенками сосудов. Все эти факторы будут приводить к существенному росту общей погрешности в измеренных значениях турбулентного потока.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в создании устройства, способного обеспечивать высокоскоростной отбор проб воздуха в сосуд за время порядка десятых долей секунды, для применения в методе разъединенного накопления микровихрей для измерения турбулентных потоков газовых примесей в атмосфере, обладающее конструктивным единством, обеспечивающее минимальное искажение химического состава пробы из-за взаимодействия со стенками сосуда и оказывающее минимальное воздействие на вертикальные потоки воздуха в месте измерения.
Техническим результатом полезной модели является снижение общей погрешности измерения значений турбулентных потоков газовых примесей атмосферы методом разъединенного накопления микровихрей.
Указанная проблема и технический результат достигаются тем, что устройство для высокоскоростного отбора проб воздуха содержит два цилиндрических сосуда для отбора проб воздуха с электромагнитными клапанами. Согласно полезной модели, сосуды и клапаны установлены в цилиндрический корпус с крышками. Электромагнитные клапаны закреплены сверху и снизу каждого сосуда и связаны через герметичные вводы с внутренней полостью сосудов. Верхние электромагнитные клапаны через герметичный ввод в стенке корпуса соединены с трубопроводом для отбора проб воздуха, нижние электромагнитные клапаны через герметичный ввод в стенке корпуса соединены с трубопроводами для их подключения к вакуумному насосу и газоанализатору.
На верхней крышке корпуса может быть жестко закреплен фланец для его монтажа на месте измерений.
Сосуды для отбора проб воздуха предпочтительно изготавливать из фторопласта.
Цилиндрический корпус при эксплуатации монтируют в вертикальном положении для снижения воздействия на вертикальные потоки воздуха в месте измерения.
Устройство дополнительно снабжено кронштейном для закрепления трубопровода для отбора проб воздуха.
Полезная модель поясняется следующими графическими материалами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства для высокоскоростного отбора проб воздуха в разрезе; на фиг.2 - поперечное сечение А-А устройства; на фиг.3 – общий вид устройства, смонтированного на месте проведения измерений.
Устройство для высокоскоростного отбора проб воздуха смонтировано в цилиндрическом корпусе 1, установленного вертикально. Сверху и снизу корпус 1 закрыт крышками 2 и 3, для установки которых на торцах корпуса нарезается наружная трубная резьба. Для обеспечения степени защиты оболочки корпуса 1, соответствующей классу IP55 по ГОСТ 14254, при монтаже крышек 2 и 3 под них устанавливают резиновые прокладки (на чертеже не показаны). Внутрь корпуса 1 помещают два цилиндрических сосуда 4, изготовленные из фторопласта, оснащенные верхними крышками 5 и нижними крышками 6, также закрепляемыми резьбовым соединением. В крышки 5 и 6 сосудов устанавливают герметичные вводы 7, через которые внутренние полости сосудов сообщаются с верхними электромагнитными клапанами 8 и нижними электромагнитными клапанами 9. При открытии одного из верхних клапанов 8 внутренняя полость соответствующего сосуда 4 сообщается с трубопроводом 10, выведенным через герметичный ввод 11 из корпуса 1. Через нижние электромагнитные клапаны 9 внутренние полости сосудов 4 сообщаются с трубопроводами, также выведенными через герметичные вводы 12 из корпуса 1 для их подключения к вакуумному насосу и газоанализатору (на фиг. не показано), которые размещают отдельно от устройства на расстоянии в нескольких десятках метров от него. Присоединение трубопроводов попеременно к вакуумному насосу и к газоанализатору осуществляется через еще одну пару электромагнитных клапанов (на чертежах не показаны). Управление электромагнитными клапанами 8 и 9 осуществляется управляющим всеми измерениями компьютером (на фиг. не показано) с помощью надлежащих интерфейсов, объединенных в блок управления, и программного обеспечения.
Для монтажа устройства на месте проведения измерений к верхней крышке устройства болтами закрепляют фланец 13, в котором закрепляют отрезок трубы 14. С помощью муфты 15 устройство устанавливают на горизонтально расположенном отрезке трубы 16, который, в свою очередь, закрепляют на месте проведения измерений (как правило, на метеорологической мачте). Конец трубопровода 10 отбора пробы воздуха закрепляют с помощью кронштейна 17. На верхний конец отрезка трубы 14 может быть смонтировано иное измерительное оборудование, необходимое по условиям измерений (например, акустический анемометр).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии верхние клапаны 8 закрыты, а нижние 9  открыты. Один из сосудов 4 сообщается с вакуумным насосом, а второй сосуд 4 - с газоанализатором. В течение определенного интервала времени происходит вакуумирование одного из сосудов 4 и анализ химического состава воздуха во втором сосуде 4. По истечении этого интервала нижние клапаны 9 закрываются, и на короткое время (порядка 0,1 секунды) открывается верхний клапан 8 вакуумированного сосуда 4, в который производится высокоскоростной отбор пробы воздуха. Затем открываются нижние клапаны 9, и сосуд 4 с отобранной пробой сообщается с газоанализатором, а другой сосуд - с вакуумным насосом, и описанный выше процесс повторяется в течение всего времени проведения измерений, которые могут осуществляться непрерывно и круглосуточно. При применении устройства для измерения турбулентных потоков газовых примесей методом разъединенного накопления микровихрей одновременно можно производить измерения скорости ветра, как правило, акустическим анемометром, после чего по данным всех измерений вычисляют значения турбулентных потоков.
Преимущества устройства для высокоскоростного отбора проб воздуха по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:
- объединение всех составных частей устройства в одном корпусе обеспечивает конструктивное единство устройства и удобство при его эксплуатации, т.к. отсутствует необходимость сборки устройства из составных частей на месте измерения. Кроме того, сборка устройства в лабораторных (а не в полевых) условиях обеспечивает гарантированную герметичность всех соединений и возможность тщательного тестирования работоспособности устройства до начала измерений;
- изготовление корпуса устройства со степенью защиты оболочки соответствующей классу IP55 по ГОСТ 14254, обеспечивает возможность проведения измерений в полевых условиях. Выполнение корпуса из металла, обладающего прочностью и надежностью, позволяет использовать устройство как силовой конструктивный элемент для закрепления на нем какого-либо иного измерительного оборудования, значительно расширяя возможности измерений.
- выполнение сосудов для отбора проб из фторопласта, известного своей химической инертностью к подавляющему большинству встречающихся в атмосфере малых газовых примесей, существенно расширяет область применимости устройства для отбора проб и измерения турбулентных потоков различных газовых примесей, влияющих на загрязнение атмосферы и глобальные изменения климата Земли;
Предлагаемое устройство высокоскоростного отбора проб может быть изготовлено в условиях экспериментальных мастерских научного учреждения, или в экспериментальном цехе механического завода при наличии типовых металлорежущих станков (токарно-винторезного, сверлильного и фрезерного). Корпус устройства может быть изготовлен из отрезка стальной бесшовной трубы диаметром порядка 120 мм, и длиной около 500 мм, на торцах которой нарезается трубная резьба для навинчивания крышек, а также обрабатываются отверстия для прохода кабелей и трубопроводов. Крышки корпуса изготавливаются обработкой на токарном станке из стальной плиты толщиной 10 мм с использованием вращающегося центра. Сосуды и их крышки изготавливаются также токарной обработкой из выпускаемых отечественной промышленностью цилиндрических заготовок из фторопласта.
В устройстве могут быть применены комплектующие изделия, выпускаемые отечественной промышленностью, или поставляемые по импорту.