УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОЗДУХА АТМОСФЕРНЫМИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ АЭРОЗОЛЬНЫМИ ВЫБРОСАМИ КАПЕЛЬ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для быстрого и дистанционного анализа загрязненности воздуха высококонцентрированными потоками капельного аэрозоля в атмосфере при выбросах жидкостей с их диспергированием, экологического мониторинга атмосферы и предупреждения аварий на объектах топливно-энергетического комплекса, вследствие техногенных или несанкционированных выбросов топлив (керосин, дизельное топливо, мазут, нефть и т.п.).
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для анализа облачных капель и загрязненности воздуха (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.
3
2
3
Недостатком данного устройства является невозможность быстрого в течение анализа оптической плотности D(t) < 3, массовой и удельной поверхностной концентрации капель М ≈ 1-500 г/м и S < 200-250 м/м в высококонцентрированных атмосферных выбросах жидкостей с их аэродинамическим распылением для определения загрязненности воздуха высококонцентрированными аэрозольными примесями.
Известно устройство для измерения содержания аэрозолей в воздушном потоке (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отсоса анализируемого воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно тарируется путем измерения зависимости аэродинамического сопротивления фильтра от массы уловленного фильтрата дисперсных примесей при постоянном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность осуществления одновременного быстрого анализа оптической плотности, массовой и поверхностной концентраций капель, скорости их движения в потоке аэрозольного выброса для анализа загрязненности воздуха высококонцентрированными дисперсными примесями.
Известно устройство для измерения содержания пыли и капель в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки.
Недостатком этого устройства является забивка фильтрующего элемента фильтратом и необходимость его периодической замены в процессе эксплуатации, а также невозможность одновременного и быстрого в течение анализа оптической плотности, размера, массовой и поверхностной концентраций капель, скорости их потоков в атмосферных аэрозольных выбросах топливных жидкостей с их распылением для оценки загрязненности воздуха высококонцентрированным капельным аэрозолем.
Известно устройство для анализа содержания аэрозолей в атмосферном воздухе, описанное в статье «Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152. Устройство содержит блок его подвески на тросе или мачте, два параллельных жестко связанных прямоугольных швеллера с прямоугольными отверстиями для одновременного течения двухфазного потока аэрозолей и газов через параллельные измерительные каналы анализа мелких и крупных капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок для питания и управления с системой оцифровывания и передачи сигналов измерительных каналов к удаленному компьютеру, прямоугольный канал постоянного сечения с установленным в нем сепаратором крупных капель перед прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей в измерительный канал.
Недостатком данного устройства является невозможность одновременного и быстрого анализа оптической плотности, среднего размера, массовой и поверхностной концентрации капель, скорости движения их потоков в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах топливных жидкостей для детектирования степени загрязненности воздуха.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей в атмосферном воздухе, описанное в статье А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Велъмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159 (прототип). Данное устройство содержит блок его подвески на мачте или тросе, первый и второй последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллера с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод двухфазного потока капель и воздуха через первый и второй одинаковые измерительные каналы для их быстрого анализа, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок, закрепленный на швеллере, для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер. В прямоугольном воздухопроводе двухфазного потока капель и воздуха выполнены боковые соосные отверстия для входа в измерительные каналы и выхода из них лазерного излучения.
0
0
0
В первом и втором канале создаются тонкие по ширине параллельные лазерные лучи путем использования коллиматоров, установленных на лазерах. При движении аэрозольного фронта через измерительные каналы в соответствии с теорией рассеивания плоской электромагнитной волны ослабление потока энергии обусловлено дифракцией волн на контурах частиц диаметром d и рассеиванием за счет отражения и поглощения. Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсной среде можно рассчитывать по формуле I (к) = I ехр (-КL), где К - объемный коэффициент ослабления, L - оптическая длина каждого измерительного канала, I и I(к) - интенсивности излучения без и в присутствии капель в анализируемом объеме воздуха (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987). Текущая линейная скорость аэрозольного потока в текущий момент времени t рассчитывается по формуле V(t) = H/Δ(t), где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом аэрозольного потока фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t. Величина Δ(t) регистрируется по изменению значений I и I(к), измеряемых фотодиодами и при прохождении фронта аэрозольного потока через измерительные каналы в момент времени t. Экспериментальные данные передаются на удаленный компьютер из-за требований пожаровзрывобезопасности к выбросам топливных жидкостей. Время быстродействия системы измерения электронного блока и передачи его сигналов составляет около 10 мкс.
0
2
2
0.5
В результате устройство по прототипу позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха в процессе измерения содержания капельного аэрозоля в атмосферном воздухе при выбросе жидкостей с их аэродинамическим распылением путем измерения во времени оптической плотности капель D(t) = lg{I/I(к)}, их удельной поверхностной концентрации S(t)=π<d(t)>n(t) = 9,2 D(t)/L, а также значений скорости V(t), где <d(t)> и n(t) - среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация капель от времени t соответственно (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Вельмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159).
Недостатком устройства по прототипу является невозможность одновременного анализа оптической плотности, среднего размера, поверхностной и массовой концентраций капель в высококонцентрированном аэрозольном выбросе топливных жидкостей с их аэродинамическим распылением.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель является унификация конструкции устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель топливных жидкостей и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель путем одновременного и быстрого в измерения оптической плотности, среднего размера, массовой и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, маловязкий мазут, легкая нефть с вязкостью менее 20 мПа.с и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с аэродинамическим распылением.
Для достижения технического результата предложено устройство для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, содержащее блок его подвески, первый и второй последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллеры с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод через первый и второй одинаковые и параллельные измерительные каналы для быстрого анализа потока капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок на швеллере для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер, причем в прямоугольном воздухопроводе выполнены боковые соосные отверстия для входа в измерительные каналы и выхода из них лазерного излучения, при этом, на выходе прямоугольного воздухопровода установлена перпендикулярно и соосно плоская емкостная ячейка для анализа массы капель, включающая два параллельных сетчатых прямоугольных электрода с расположенным между ними аэрозольным фильтром, соединенных с блоком измерения их электрической емкости и передачи ее значений в удаленный компьютер, а перед входным отверстием прямоугольного воздухопровода установлена параллельно его входному отверстию тонкая металлическая пластина для его периодического полного перекрывания и открывания, соединенная механически со штоком пневмоцилиндра двухстороннего действия, установленного на швеллере.
Расстояние, на котором установлена перпендикулярно и соосно перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода плоская прямоугольная емкостная ячейка для анализа массы капель, составляет D(C). Значение D(C) совпадает с шириной прямоугольного воздухопровода.
В результате установки на выходе прямоугольного воздухопровода перпендикулярно и соосно плоской емкостной ячейки для анализа массы капель, содержащей два параллельных сетчатых прямоугольных электрода с расположенным между ними аэрозольным фильтром, соединенных с блоком измерения их электрической емкости и передачи ее значений в удаленный компьютер, а также размещения перед входным отверстием прямоугольного воздухопровода параллельно его входному отверстию тонкой металлической пластины для его периодического, последовательного и полного перекрывания и открывания с помощью пневмоцилидра двухстороннего действия со штоком, подключенного к источнику сжатого воздуха и установленного на швеллере, удается достигнуть технического результата путем создания устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, позволяющего одновременно и быстро измерять оптическую плотность, средний размер, массовою и поверхностную концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, маловязкая нефть и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с их аэродинамическим распылением.
Установленная поперек прямоугольного отверстия тонкая металлическая пластина толщиной около 1 мм для периодического и последовательного полного закрывания и открывания с периодом от 0,2 до 2 с входного отверстия прямоугольного воздухопровода потока капель и воздуха позволяет периодически перекрывать анализируемый поток капель для его конвективного течения в измерительные каналы и в емкостную ячейку. В результате осуществляется периодическая модуляция скорости движения потока капель во времени с периодом от 0,2 до 2 с. Это позволяет измерять скорость движения V(t) квазистационарных или стационарных потоком капель, а также повысить точность измерения турбулентных и нестационарных потоков капель при аэрозольном высококонцентрированном выбросе топливной жидкости.
0
Устройство по прототипу не позволяет осуществлять анализ скорости стационарных или квазистационарных аэрозольных потоков, так как при их анализе нет временной метки изменения значений скорости движения потока капель. В результате отсутствует модуляция интенсивности лазерного излучения в присутствии I(к) и в отсутствии I капель от времени анализа в двух последовательно установленных измерительных каналах с расстоянием между параллельными лазерными лучами Н.
Расположение емкостной ячейки для анализа массы капель с двумя параллельными электродами, соединенными с блоком измерения их емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода позволяет осуществлять инерционное осаждение капель, так как при ее обтекании траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого высокоэффективного аэрозольного фильтра. Пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее аэродинамическое дробление воздушным потоком с образованием вторичных мелких капель.
2
3
Диаметр инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра емкостной ячейки для анализа аэрозолей зависит от их плотности и скорости анализируемого аэрозольного потока V(t) на выходе из прямоугольного отверстия воздухопровода. При типичных скоростях высококонцентрированных аэрозольных выбросов V(t) > 3-5 м/с и для сравнительно крупных дисперсных частиц размером более 0,5 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk = τ(p)V(t)/D(C), где τ(p) ≈ pd/18η - время релаксации частиц диаметром d < 150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, D(C) - ширина прямоугольного воздухопровода, ρ ≈ 0,8-1 г/см - плотность топливных жидкостей, η - динамическая вязкость воздуха (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(к) ≈ 0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы не осаждаются на аэрозольный фильтр емкостной ячейки (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц топливных жидкостей на поверхности и внутри аэрозольного фильтра плоской емкостной ячейки изменяется ее емкость, по величине которой путем ее предварительной калибровки определяется масса m(t) грубодисперсных капель от времени анализа t.
При измерении малых значений емкости в диапазоне С = 10-500 пФ используется метода генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989, 456 С.). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора выбран таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Надежно измеряемое изменение величины емкости составляет 0,03-0,05 пФ.
11
14
Экспериментально было показано, что величина С слабо зависит от типа топливной жидкости, что обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость керосина, дизельного топлива, маловязкого мазута и нефти ε ≈ 2-2,2. Их удельное сопротивление составляет величину R ≈ 10-10 Ом.см при нормальных условиях, поэтому при накоплении топливных жидкостей в аэрозольном фильтре емкостной ячейки замыкания ее круглых сетчатых электродов не наблюдалось.
В процессе измерения емкости С ее величина периодически модулируется путем перекрывания и открывания прямоугольной тонкой металлической пластиной емкостной ячейки. В результате, повышается точность измерения малых значений емкости за счет устранения воздействия аэродинамического давления аэрозольного потока на поверхность аэрозольного фильтра емкостной ячейки и стабилизации значений С за время перекрытия емкостной ячейки. Ее быстродействие составляет менее 0,05 с.
2
Измерение величины С, связанное с массой капель уловленных капель, позволяет определить значение их средней массовой концентрации при измеренной средней скорости потока капель V(τ) за время отбора τ. Ее величина составляет М(τ)=m(τ)/τS(C)V(τ), где V(τ) и m(τ) - соответственно, средняя скорость и масса капель, осевших на аэрозольном фильтре емкостной ячейки за интервал анализа τ, a S(C)=πD(C)L/4 - площадь прямоугольного воздухопровода, L - его длина. Скорость V (τ) определяется как усредненное значение текущих величин скорости потока капель от времени V(t)=H/Δ(t) за время анализа τ, где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом потока капель фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t.
Длина прямоугольных сетчатых электродов и аэрозольного фильтра емкостной ячейки составляет L(е) ≈ (1,5-2)L, а их ширина D(e) ≈ (1,5-2)D(C).
3
2
3
2
3
2
1
За интервал анализа τ средняя массовая концентрация капель составляет М(τ)=πρ<d(τ)>n(τ)/6, а их измеренная средняя удельная поверхность S(τ)=π<d(τ)>n(τ), где <d(τ)> - куб среднемассового диаметра капель и <d(τ)> - квадрат их среднеквадратичного диаметра. В результате, средний диаметр капель за интервал анализа τ равен d(τ)=<d(τ)>/<d(τ)> = 6М(τ)/ρS(τ).
В результате одновременно определяются оптическая плотность, средний диаметр, массовая и поверхностная концентрация грубодисперсных капель через каждый интервал τ (0,2-2) с в зависимости от массы капель и скорости аэрозольного потока анализируемого выброса жидкости. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, где:
1 - крепление для подвески устройства на мачте или тросе;
2 и 3 - два одинаковых параллельных, жестко и последовательно состыкованных прямоугольных швеллера;
4 - электронный блок измерительных каналов;
5 и 6 - два параллельных, полупроводниковых лазера с коллиматорами;
7 - прямоугольный воздухопровод для течения двухфазного потока анализируемых капель и воздуха через измерительные каналы;
8 и 9 - два параллельных фотодиода с коллиматорами для регистрации излучения лазеров 5 и 6, соответственно;
10 - плоская емкостная ячейка для измерения массы капель, закрепленная на швеллере 3;
11 - плоский аэрозольный фильтр капель ячейки 10 длиной ≈ (1,5-2)L и шириной (1,5-2)D(C);
12 и 13 - верхний и нижний плоские сетчатые электроды прямоугольной формы ячейки 10 длиной ≈ (1,5-2)/, и шириной (1,5-2)D(C);
14 - тонкая металлическая плоская пластина для периодического, последовательного полного перекрывания и открывания входа 17 прямоугольного канала 7;
15 - пневмоцилиндр двухстороннего действия со штоком для осуществления возвратно-поступательного перемещения пластины 14;
16 - блок измерения электрической емкости ячейки 10 и передачи ее значений в удаленный компьютер;
17 - входное отверстие прямоугольного воздухопровода 7;
18 - выходное отверстие прямоугольного воздухопровода 7;
19 и 21 - боковые соосные отверстия в прямоугольном воздухопроводе 7 для прохождения лазерного излучения в измерительные каналы I и II;
20 и 22 - боковые соосные отверстия прямоугольном воздухопроводе 7 для выхода лазерного излучения из измерительных каналов I и II и его регистрации фотодиодами 8 и 9;
23 - шток пневмоцилиндра 15 для осуществления возвратно-поступательного движения пластины 14;
I - первый измерительный канал для быстрого анализа потока капель;
II - второй измерительный канал для быстрого анализа потока капель;
D(С) - расстояние между плоскостью выходного отверстия 18 прямоугольного канала 7 и верхним сетчатым электродом 11 емкостной ячейки 10, совпадающее с шириной воздухопровода 7;
Н - расстояние между лазерными лучами через измерительные каналы I и II;
L - оптическая длина измерительных каналов I и II;
Q - объемный расход анализируемого двухфазного потока капель и воздуха через каналы I и II.
0
0
На фиг. 2. Приведены экспериментальные кривые значений I(к) и I, измеренные последовательно в первом и втором измерительных каналов для анализа потока капель при последовательном периодическом перекрывании и открывании тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода, где I - интенсивность лазерного излучения при перекрывании входного отверстия воздухопровода и измерительных каналов, а I(к) - интенсивность лазерного излучения в присутствии капель в анализируемом объеме открытых измерительных каналов, регистрируемые фотодиодами в условных единицах.
0
0
0
На фиг. 3 показаны экспериментальные кривые I и I(к) для первого и второго измерительных каналов от времени t при открывании [значения I(к)] и перекрывании (значения I) тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода для измерения текущей скорости капельного потока V(t). Точки А и Б соответствуют перекрытию входного отверстия воздухопровода и значениям I и I(к), измеренным в первом и втором измерительных каналах от времени, соответственно.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель. Устройство содержит блок подвески 7 на тросе или мачте, первый 2 и второй 3 последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллеры с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод 7 для потока капель через первый I и второй II одинаковые измерительные каналы для их быстрого анализа, содержащие полупроводниковые лазеры 5 и 6 и фотодиоды 8 и 9, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров 2 и 3 соответственно, электронный блок 4, расположенный на швеллере 2, для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), причем в прямоугольном воздухопроводе 7 выполнены боковые соосные отверстия для входа 19 и 21 в измерительные каналы I и II и выхода 20 и 22 из них лазерного излучения. На выходе прямоугольного воздухопровода 7 установлена перпендикулярно и соосно плоская прямоугольная емкостная ячейка 10 для анализа массы капель, содержащая два параллельных сетчатых прямоугольных электрода 12 и 13 с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, соединенных с блоком измерения их электрической емкости 16 и передачи ее значений в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан). Перед входным отверстием 17 прямоугольного воздухопровода 7 установлена параллельно его входному отверстию тонкая металлическая пластина 14 для его периодического и последовательного полного перекрывания и открывания пневмоцилиндром двухстороннего действия 75 со штоком 23, установленным на швеллере 2. Шток 23 механически жестко соединен с пластиной 14. Пневмоцилиндр 75 подключен к баллону с сжатым воздухом под давлением менее 10 атм. с электромагнитным клапаном для управления его работой (на фиг. 1 не показаны).
Расстояние, на котором установлена перпендикулярно и соосно перед выходным отверстием 18 прямоугольного воздухопровода 7 плоская прямоугольная емкостная ячейка 10 для анализа массы капель, составляет D(C). Значение D(C) совпадает с шириной воздухопровода 7. Емкостная ячейка закреплена на швеллере 3.
Расстояние между лазерными лучами от полупроводниковых лазеров 5 и 6 составляет Н=10-15 см; оптическая длина измерительных каналов I и II варьируется от 10 до 30 см, ширина воздухопровода D(C)=3-5 см, а диапазон измерения скорости течения потока капель через измерительные каналы I и II был равен V(t)=2-200 м/с. Длина прямоугольных сетчатых электродов 12 и 13 и аэрозольного фильтра емкостной ячейки L(е) ≈ (1,5-2)L, а их ширина D(е) ≈ (1,5-2)D(C). Расстояние между сетчатыми электродами 12 и 13 варьируется от 2 до 4 мм.
Прямоугольные швеллера 2 и 3 выполнены из пластика, композитных углеводородных материалов или металла.
Для длительной эксплуатации и устранения возможного осаждения капель на поверхность линз объективов лазеров и фотодиодов предусмотрена система их обдува чистым воздухом (на фиг. 1 не показана).
В первом I и втором II канале создаются тонкие по ширине 3-4 мм параллельные лазерные лучи путем использования коллиматоров, установленных на лазерах 5 и 6.
Устройство работает следующим образом. Его подвешивают на мачте или тросе с помощью блока 1 на высоте до 50 м в атмосфере. Анализируемый конвективный поток капель и воздуха в атмосферном аэрозольном выбросе с расходом Q поступает последовательно в измерительные каналы I и II, а далее осуществляется инерционное осаждение грубодисперсных капель в емкостной ячейки 10.
0
0
При движении аэрозольного фронта через измерительные каналы I и II в соответствии с теорией рассеивания плоской электромагнитной волны ослабление потока энергии обусловлено дифракцией волн на контурах частиц диаметром d и рассеиванием за счет отражения и поглощения. Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсной среде можно рассчитывать по формуле I (к) = I exp (-КL), где К - объемный коэффициент ослабления, L - оптическая длина каждого измерительного канала, I и I(к) - интенсивности излучения без и в присутствии капель в анализируемом объеме газа (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987).
Периодическое перекрывание и открывание входного отверстия 17 для модуляции во времени скорости движения капельного потока осуществляется с помощью пневмоцилиндра двухстороннего действия 15 с штоком 23, соединенным механически с пластиной 14 для осуществления ее возвратно-поступательного движения. Пневмоцилиндр 15 соединен с источником сжатого воздуха из баллона под давлением менее 8-9 атм с электроклапаном (на фиг. 1 не показаны). Время перекрывания лазерных лучей в измерительных каналах I и II составляет менее 0,03 с. В результате этого происходит периодическое изменение скорости потока капель и, соответственно, значений I(к) во времени.
0
Типичные экспериментальные кривые отклика первого и второго измерительных каналов при последовательном периодическом перекрывании и открывании тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровод 7 приведены на фиг. 2 и 3, где I - интенсивность лазерного излучения при перекрывании входного отверстия воздухопровода и измерительных каналов, а I(к) - интенсивность лазерного излучения в присутствии капель в анализируемом объеме открытых измерительных каналов, регистрируемые фотодиодами в условных единицах.
0
Текущая линейная скорость аэрозольного потока в текущий момент времени t рассчитывается по формуле V(t)=H/Δ(t), где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом аэрозольного потока фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t. Величина Δ(t) регистрируется по изменению значений I и I(к), измеряемых фотодиодами и при прохождении фронта аэрозольного потока через измерительные каналы в момент времени t (см. фиг. 2 и 3).
Экспериментальные данные передаются на удаленный до 600 метров компьютер из-за требований пожаровзрывобезопасности к выбросам топливных жидкостей. Время быстродействия системы измерения и передачи сигналов электронных блоков 4 и 16 составляет около 10 мкс.
0
2
2
0.5
В результате устройство, как и в прототипе, позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха в процессе измерения содержания грубодисперсного капельного аэрозоля в атмосферном воздухе при выбросе жидкостей с их аэродинамическим распылением путем измерения во времени оптической плотности капель D(t)=lg{I/I(к)}, их удельной поверхностной концентрации S(t)=π<d(t)>n(t) = 9,2 D(t)/L, а также значений скорости V(t), где <d(t)> и n(t) - среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация капель от времени t соответственно (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Вельмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159).
В результате установки на выходе прямоугольного воздухопровода 7 перпендикулярно и соосно плоской емкостной ячейки 10 для анализа массы капель, содержащей два параллельных сетчатых прямоугольных электрода 12 и 13 с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, соединенных с блоком измерения их электрической емкости 16 и передачи ее значений в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), а также размещения перед входным отверстием 17 прямоугольного воздухопровода 7 параллельно его входному отверстию 17 тонкой металлической пластины 14 для его периодического, последовательного, полного перекрывания и открывания с помощью пневмопривода, выполненного в виде пневмоцилиндра двухстороннего действия 15 со штоком 23, установленного на швеллере 2, удается достигнуть технического результата путем создания устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, позволяющего одновременно и быстро измерять оптическую плотность, средний размер, массовою и поверхностную концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, маловязкая нефть и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с их аэродинамическим распылением.
Установленная поперек прямоугольного отверстия 17 тонкая металлическая пластина 14 толщиной около 1 мм для периодического полного закрывания и открывания с периодом от 0,2 до 2 с входного отверстия прямоугольного воздухопровода потока капель и воздуха позволяет периодически перекрывать анализируемый поток капель с расходом Q для его конвективного течения в измерительные каналы I и II и в емкостную ячейку 10. В результате осуществляется периодическая модуляция скорости движения потока капель во времени с периодом от 0,2 до 2 с через измерительные каналы. Это позволяет измерять скорость движения V(t) квазистационарных или стационарных потоков капель Q, а также повысить точность измерения турбулентных и нестационарных потоков капель при аэрозольном высококонцентрированном выбросе топливной жидкости.
0
Устройство по прототипу не позволяет осуществлять анализ скорости стационарных или квазистационарных аэрозольных потоков, так как при их анализе нет временной метки изменения значений скорости движения потока капель. В результате отсутствует модуляция интенсивности лазерного излучения в присутствии I(к) и в отсутствии I капель от времени анализа в двух последовательно установленных измерительных каналах I и II с расстоянием между параллельными лазерными лучами Н.
Расположение емкостной ячейки 10 для анализа массы капель с двумя параллельными электродами 12 и 13, соединенными с блоком измерения их емкости 16 и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода 7 позволяет осуществлять инерционное осаждение капель, так как при ее обтекании траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого высокоэффективного аэрозольного фильтра 11. Пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее аэродинамическое дробление воздушным потоком с образованием вторичных мелких капель.
2
3
Диаметр инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра емкостной ячейки для анализа аэрозолей зависит от их плотности и скорости анализируемого аэрозольного потока V(t) на выходе из прямоугольного отверстия воздухопровода. При типичных скоростях высококонцентрированных аэрозольных выбросов V(t) > 3-5 м/с и для сравнительно крупных дисперсных частиц размером более 0,5 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk=τ(p)V(t)/D(C), где τ(p) ≈ pd/18η - время релаксации частиц диаметром d < 150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, D(C) - ширина прямоугольного воздухопровода, ρ ≈ 0,8-1 г/см - плотность топливных жидкостей, η - динамическая вязкость воздуха (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(к) ≈ 0,25-0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы не осаждаются на аэрозольный фильтр емкостной ячейки (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002; Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц топливных жидкостей на поверхности и внутри аэрозольного фильтра плоской емкостной ячейки изменяется ее емкость С, по величине которой путем ее предварительной калибровки определяется масса m(t) грубодисперсных капель от времени анализа t.
При измерении малых значений емкости в диапазоне С = 10-500 пФ используется метода генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989, 456 С.). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора выбран таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Надежно измеряемое изменение величины емкости составляет 0,03-0,05 пФ.
11
14
Экспериментально было показано, что величина С слабо зависит от типа топливной жидкости, что обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость керосина, дизельного топлива, маловязкого мазута и нефти ε ≈ 2-2,2. Их удельное сопротивление составляет величину R ≈ 10-10 Ом.см при нормальных условиях, поэтому при накоплении топливных жидкостей в аэрозольном фильтре емкостной ячейки замыкания ее круглых сетчатых электродов не наблюдалось.
В процессе измерения емкости С ее величина периодически модулируется путем перекрывания и открывания прямоугольной тонкой металлической пластиной 11 емкостной ячейки 10 для осаждения капель за счет их инерции. В результате, повышается точность измерения малых значений емкости за счет устранения воздействия аэродинамического давления аэрозольного потока на поверхность аэрозольного фильтра емкостной ячейки и стабилизации значений С за время перекрытия емкостной ячейки. Ее быстродействие составляет менее 0,05-0,1 с.
2
Измерение величины С, связанное с массой капель уловленных капель, позволяет определить значение их средней массовой концентрации в двухфазном потоке при измеренной средней скорости потока капель V(τ) за время отбора τ. Ее величина составляет М(τ)=m(τ)/τS(С)V(τ), где V(τ) и m(τ) - ,соответственно, средняя скорость и масса капель, осевших на аэрозольном фильтре емкостной ячейки за интервал анализа τ, a S(C)=πD(C)L/4 - площадь прямоугольного воздухопровода, L - его длина, a C D(C) - ширина. Скорость V(τ) определяется как усредненное значение текущих измеренных величин скорости потока капель от времени V(t)=H/Δ(t) за время анализа τ, где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом потока капель фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t.
3
2
3
2
3
2
1
За время анализа τ средняя массовая концентрация капель М(τ) = πρ<d(τ)>n(τ)/6, а их измеренная средняя удельная поверхность S(τ) = π<d(τ)>n(τ), где <d(τ)> - куб среднемассового диаметра капель и <d(τ)> - квадрат их среднеквадратичного диаметра. В результате, средний диаметр капель за интервал анализа τ равен d(τ)=<d(τ)>/<d(τ)> = 6М(τ)/ρS(τ).
Отсутствие изменения емкости плоской емкостной ячейки 10 в процессе анализа капель означает, диаметр капель составляет менее 1-5 мкм в зависимости от величины V(t).
Результаты измерения содержания аэрозолей и загрязненности воздуха капельным выбросом топливных жидкостей передаются с периодом 10 мкс блоком 15 по витой паре в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), где программа обрабатывает и сохраняет полученные данные. Собранная информация непрерывно транслируется на пункт анализа по оптоволоконной линии длиной до 5-10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение позволяет сохранять данные и отображать их на экране головного компьютера в реальном масштабе времени в виде таблиц и графиков (на фиг. 1 не показан).
В результате одновременно определяются оптическая плотность, средний диаметр, массовая и поверхностная концентрация грубодисперсных капель через каждый интервал τ (0,2-2) с в зависимости от массы капель и скорости аэрозольного потока анализируемого выброса жидкости. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Пример 1
Осуществлялся анализ стационарного по времени потока капель керосина, создаваемых пневматическим распылителем типа ЭКРП-600 в лабораторных условиях. Оптическая длина L = 15 см. Длина и ширина пластины 14 из нержавеющей стали составляла 20 и 5 см. Период ее возвратно-поступательного движения для перекрывания потока капель Q в измерительные каналы I и II, а. также в емкостную ячейку 10 составлял ≈1,1 с.
Для дистанционного возвратно-поступательного перемещения пластины 14 использовался пневмопривод, включающий пневмоцилиндр 15 двухстороннего действия со штоком 23, соединенный механически с пластиной 14. Мини пневмоцилиндр со стальной гильзой серии IAS был соединен с источником фильтрованного сжатого воздуха от баллона с давлением менее 9 атм. с электромагнитным клапаном (на фиг. 1. не показаны). Скорость хода штока около 0,7-0,8 м/с при напряжении питания 12 В. Его ход составлял 5 см. Это позволяло перекрывать и открывать лазерный луч шириной 0,018 м в измерительный каналах I и II за временной интервал менее 0,025 с с заданным периодом 1,1 с.
0
0
0
0
0
На фиг. 3 показаны экспериментальные кривые значений I и I(к) первого и второго измерительных каналов от времени t при перекрывании (значения I) и открывании [значения I(к)] тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода 7 для измерения текущей скорости стационарного капельного потока V(t). Точки А и Б соответствуют перекрытию входного отверстия воздухопровода и значениям I и I(к) от времени t, измеренных в первом и втором измерительных каналах соответственно. Время движения потока через первый и второй измерительные каналы Δ(t)=Т(Б)-Т(А) ≈ 0,02 с, где Т(А) = 0,4303 с - характерное время перекрывания первого измерительного канала согласно значением I(к) и I, а Т(Б) = 0,4505 с - время перекрывания второго измерительного канала, согласно значением I(к) и I. В результате, V(t)=H/Δ(t) ≈ 5 м/с при расстоянии между параллельными лазерными лучами Н = 0,1 м.
3
2
3
3
2
1
За время отбора пробы τ ≈ 0,55 с на поверхность емкостной ячейки 10 величина С изменилась на 15%. В результате массовая концентрация капель керосина в затопленной струе М(τ) ≈ 120 г/м, их оптическая плотность D(τ) ≈ 0,05 и поверхностная концентрация S(τ) = 3,07 м/м. Средний диаметр капель d(τ) = <d(τ)>/<d(τ)> = 6М(τ)/ρS(τ) ≈ 290 мкм.
Измеренные параметры аэрозольного потока удовлетворительно совпадали с значениями массовой концентрации и среднего размера капель, а также скорости их движения измеренные весовым методом, результатами отбора капель в импакторе и данными анемометра для измерения V(τ) (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002; Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
Быстродействие измерения оптической плотности и удельной поверхности капель составляло 1 мс; быстродействие измерения скорости движения аэрозольного потока было равно около 10 мкс; быстродействие действие измерения массовой конценрации и среднего размера капель составляло около 0,5 с.
Пример 2.
4
3
Разработанное устройство было использовано при проведении масштабных экспериментов, связанных с моделированием аварий в системах хранения топливных жидкостей. Анализировалась загрязненность воздуха турбулентным потоком грубодисперсных капель с d ≈ 30-3000 мкм в процессе импульсного диспергирования нескольких сотен тонн керосина ТС-1 с образованием в атмосфере выброса в виде затопленной двухфазной струи объемом более 10 м. Ее диаметр варьировался от 10 до 20 м, а длина от 80 до 100 м.
2
3
3
Устройство размешалось на мачте на высоте около 5 м. Прямоугольные швеллера 2 и 3 были выполнены из дюраля длиной 100 см и шириной 8 см; прямоугольный размер отверстий 17 и 18 составлял L = 15 и D(C) = 4 см; напряжение питания 24 В; мощность излучения с длиной волны 0,68 мкм лазеров 5 и 6 была равна около 5 мВт; временное разрешение ≈ 1 мс; оптическая длина рассеивания лазерного излучения каплями L = 15 см в измерительных каналах I или II; диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D ≈ 0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S = 0,5-150 м/м; анализируемый объем аэрозолей около 20 см; диапазон рабочей температуры Т = (5-50)°С; временное разрешение при регистрации температуры облаков или двухфазных атмосферных выбросов термопарами хромель-алюмель составлял около 150 мс; быстродействие электронных блоков 4 и 16 составляло около 10 мкс.
Размеры электродов 12 и 13 и аэрозольного фильтра 11 совпадали и составляли ≈ 25×7 см. Расстояние между электродами 12 и 13 было равно 0,2 см. Быстродействие емкостной ячейки не превышало 0,08 с. Расчетное значение электрической емкости ячейки 10 в отсутствии фильтрата керосина С ≈ 77 пФ и ее величина практически совпадала с измеренным значением С = 78,5 пФ.
Длина и ширина пластины 14 из нержавеющей стали составляла 20 и 5 см. Период ее возвратно-поступательного движения для перекрывания потока капель Q в измерительные каналы I и II, а также в емкостную ячейку 10 составлял 2 с.
Для дистанционного возвратно-поступательного перемещения пластины 14 использовался пневмопривод, включающий пневмоцилиндр 15 двухстороннего действия со штоком 23, соединенный механически с пластиной 14. Мини пневмоцилиндр со стальной гильзой серии IAS был соединен с источником фильтрованного сжатого воздуха от баллона с давлением менее 9 атм. с электромагнитным клапаном (на фиг. 1. не показаны). Скорость хода штока около 0,7-0,8 м/с при напряжении питания 12 В. Его ход составлял 5 см. Это позволяло перекрывать и открывать лазерный луч шириной 0,018 м в измерительный каналах I к II за временной интервал менее 0,025 с с заданным периодом 2 с.
2
3
2
3
Показано, что на оси струи на высоте 5 м и расстоянии 40 м от емкости с распыленным керосином значения V(t) флуктуировали от 5 до 45 м/с за время анализа τ=1 с. Их среднее арифметическое значение за 1 с составляло V(τ) ≈ 20.5 м/с, а величина ее стандартного отклонения σ(U) ≈ 9.8 м/с при скорости ветра в атмосфере 1-4 м/с и температуре воздуха 28-29°С. Полученные данные согласуются с данными видео наблюдений за скоростью распространения аэрозольного фронта от емкости до анализатора в процессе диспергирования жидкости. Измеренные величины D и S пульсировали от 0.1 до 3.5 и от 5 до 150 м/м за время анализа τ=1 с, а их средние значения D(τ) = 0,26 и S(τ) = 9,2D(τ)/L ≈ 17,7 м/м.
При осаждении капель диаметром 20 мкм при скорости 20,5 м/с и D(C) = 4 см число Стокса составляло Stk > 10, что существенно превышает критическое число Стокса ≈ 0,25 выбранной геометрии расположения емкостной ячейки по отношению к выходному отверстию 18 воздухопровода 7. Таким образом, капли керосина диаметром более 20 мкм осаждались на поверхность фильтра емкостной ячейки 10 с эффективностью более 95%. Это результат был экспериментально подтвержден в лабораторных экспериментах при распылении керосина пневматическим генератором.
3
3
2
1
Изменение величины емкости за 1 с составило около 25%. В результате массовая концентрация капель М(τ=1с)≈(250-270) г/м, а средний диаметр d(τ)=<d(τ)>/<d(τ)> = 6М(τ)/ρS(τ) ≈ 110 мкм.
Быстродействие измерения оптической плотности и удельной поверхности капель составляло 1 мс; быстродействие измерения скорости движения аэрозольного потока было равно около 10 мкс; быстродействие действие измерения массовой концентрации и среднего размера капель составляло около 0,5 с.
Результаты одновременного анализа оптической плотности, среднего диаметра, массовой и поверхностной концентрации капель керосина в атмосферном высококонцентрированном аэрозольном выбросе с интенсивным перемешиванием воздуха и капель передавались электронным блоком 4 с периодом 10 мкс по витой паре в удаленный на 600 м компьютер (на фиг. 1 не показан), где программа обрабатывала и сохраняла полученные данные. Собранная информация непрерывно поступала с удаленного компьютера на головной пункт анализа по оптоволоконной линии длиной 4000 м с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение непрерывно отображала данные на экране головного компьютера.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель с прототипом показывает, что за счет использования модуляции аэрозольного потока по скорости и концентрации капель с помощью тонкой пластины, совершающей возвратно-поступательное движение для периодического перекрывания и открывания воздухопровода для подачи аэрозольного потока в измерительные каналы их анализа, а также установки емкостной ячейки для измерения массы капель на выходе из воздухопровода капельного потока с модулируемой скоростью движения осуществляется одновременный и быстрый анализ оптической плотности, среднего диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах. Устройство по прототипу не позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха путем измерения оптической плотности, среднего диаметра, массовой и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах топливных жидкостей.