УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ И ГАЗОВ В АТМОСФЕРЕ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения концентраций аэрозолей и газовых примесей в атмосфере, экологического мониторинга окружающей среды и предупреждения техногенных аварий.
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для измерения концентрации и размеров 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 анализа газовых примесей в атмосферных облаках.
Известно устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отсоса 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 в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра при постоянном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность одновременного анализа газовых и аэрозольных микропримесей в атмосфере.
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 атмосферном 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 относительно большое значение времени быстродействия τ≥15-30 с для используемых термокаталитического, полупроводникового и/или электрохимического сенсоров токсичных и горючих газов, а также невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и газов в атмосфере (Система газоаналитическая СКВА-01, Руководство по эксплуатации, ЕКРМ.411741.001 РЭ, ООО НПФ ИНКРАМ Москва, 2013). Величина τ определяется как время, необходимое для регистрации объемной концентрации газовой смеси на уровне 90% от конечного значения после ее быстрого изменения.
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.
Недостатками эго инфракрасного газового анализатора являются относительно большая величина τ≈10 с, вследствие диффузионного отбора газа в измерительную газовую кювету оптического инфракрасного датчика, а также невозможность одновременного анализа газовых и аэрозольных загрязнений атмосферного воздуха (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-X-X-X. 1 (RX). Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. Версия 04 19.04.2017. 50 С. ООО "Оптосенс").
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для измерения содержания газов и пыли в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газочувствительный сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки. Устройство подключено к побудителю расхода анализируемого газа. Его недостатком является невозможность одновременного определения концентрации примесных газов и фракционной массовой концентрации аэрозольных частиц в зависимости от их размера.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для измерения загрязненности воздуха аэрозолями и газами и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для измерения содержания аэрозолей и газов в атмосферном воздухе путем одновременного определения концентрации примесных газов в атмосфере и фракционной массовой концентрации аэрозольных частиц в зависимости от величины их размера.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения содержания аэрозолей и газов в атмосфере, содержащее побудитель расхода анализируемого воздуха через емкостную ячейку анализа аэрозолей с двумя электродами, соединенными с блоком измерения их электрической емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, газовую камеру с размещенным в ней сенсором, подключенным к электронному блоку, при этом, устройство содержит цилиндрический корпус с соосными входным и выходным цилиндрическими патрубками анализируемого воздуха, внутри которого последовательно установлены первая и вторая плоские цилиндрические емкостные ячейки анализа аэрозолей с двумя параллельными цилиндрическими электродами, соединенными с блоком одновременного измерения их электрической емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, причем первая плоская цилиндрическая емкостная ячейка расположена на диэлектрической подложке перпендикулярно и соосно входному цилиндрическому патрубку напротив него, вторая плоская цилиндрическая емкостная ячейка установлена соосно перед выходным цилиндрическим патрубком и закреплена на диэлектрическом держателе, а газовая камера с сенсором размещена между второй емкостной ячейкой и выходным цилиндрическим патрубком, соединенным с побудителем расхода анализируемого воздуха.
В результате создания устройства с цилиндрическим корпусом с соосными входным и выходным цилиндрическими патрубками анализируемого воздуха, внутри которого последовательно установлены плоские цилиндрические первая и вторая емкостные ячейки анализа аэрозолей с двумя параллельными цилиндрическими электродами, соединенными с блоком одновременного измерения их емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, расположения первой плоской цилиндрической емкостной ячейки перпендикулярно и соосно входному патрубку напротив его выходного отверстия на диэлектрической подложке, установки второй плоской цилиндрической емкостной ячейки перед и соосно выходному цилиндрическому патрубку на диэлектрическом держателе, и создания газовой камеры с сенсором между второй плоской цилиндрической емкостной ячейкой и выходным цилиндрическим патрубком, соединенным с побудителем расхода анализируемого воздуха, достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно осуществляется одновременный анализ фракционной массой концентрации аэрозольных частиц в зависимости от величины их размера и объемной концентрации примесных газов в атмосфере.
Расположение первой плоской цилиндрической емкостной ячейки анализа аэрозолей с двумя параллельными электродами, соединенными с блоком измерения их емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, перпендикулярно и соосно входному цилиндрическому патрубку позволяет осуществлять инерционное осаждение аэрозолей, так как при ее обтекании траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра. При анализе капельного аэрозоля пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее дробления воздушным потоком с образованием вторичных капель.
2
2
Диаметр инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра первой плоской цилиндрической емкостной ячейки анализа аэрозолей зависит от их плотности, расхода анализируемого воздуха через входной патрубок Q, расстояния L между торцом выходного отверстия входного патрубка диаметром D и плоской цилиндрической емкостной ячейкой. Для сравнительно крупных дисперсных частиц размером более 1-2 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk=τ(p)U/D, где τ(р) ≈ ρdС(Кn)/(18η) - время релаксации частиц диаметром d<150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, U=AQ/πD - линейная скорость газа, ρ - плотность частицы, C(Kn)=1+1,23 (2λ/d) - поправка Стокса-Каннигема на скольжение газа, λ - средняя длина свободного пробега молекул воздуха, η - его динамическая вязкость (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(x) ≈ 0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы не осаждаются на аэрозольный фильтр первой емкостной ячейки (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц на поверхности и внутри аэрозольного фильтра первой плоской цилиндрической емкостной ячейки изменяется ее емкость С(1), по величине которой определяется массовая концентрация грубодисперсных аэрозольных частиц от времени анализа. Более мелкие частице, не осевшие в порах фильтра первой емкостной ячейки, осаждаются в пористой структуре высокоэффективного аэрозольного фильтра второй плоской цилиндрической емкостной ячейки. Это приводит к изменению ее емкости С(2), по величине которой определяется массовая концентрация более мелких аэрозольных частиц от времени анализа. Значения С(1) и С(2) одновременно регистрируются емкостным блоком их измерения. Обе плоские цилиндрические емкостные ячейки предварительно калибруются с использованием аэрозолей с заданным размером частиц и величиной их массовой концентрации. В результате определяется фракционная массовая концентрация грубодисперсных и более мелких аэрозольных частиц от времени их анализа.
Кроме анализа двух фракций массовой концентрации аэрозольных частиц от величины их размера, одновременно, регистрируется объемная концентрация парогазовых примесей в воздухе с помощью инфракрасного оптического сенсора типа MIPEX с быстродействием τ<0,35 с. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения содержания аэрозолей и газовых примесей в атмосфере, где:
1 - цилиндрический корпус;
2 - входной цилиндрический патрубок газового потока;
3 - выходной цилиндрический патрубок газового потока;
4 - побудитель расхода газа через устройство;
5 - газовый сенсор;
6 - первая цилиндрическая, плоская емкостная ячейка анализа аэрозолей;
7 - вторая цилиндрическая, плоская емкостная ячейка анализа аэрозолей;
8 - диэлектрическая подложка под ячейку 6;
9 - аэрозольный фильтр ячейки 6;
10 и 11 - сетчатые параллельные цилиндрические электроды емкостной ячейки 6;
12 и 13 - сетчатые параллельные цилиндрические электроды емкостной ячейки 7;
14 - аэрозольный фильтр емкостной ячейки 7;
15 - блок одновременного измерения величин электрических емкостей ячеек 6 и 7;
16 - электронный блок питания и регистрации данных сенсора 5;
17 - газовая камера с сенсором 5;
18 - выходное цилиндрическое отверстие патрубка 2;
19 - диэлектрический держатель ячейки 7;
D - диаметр цилиндрического патрубка 2;
L - расстояние между торцом отверстия 18 патрубка 2 и плоской ячейкой 6;
Q - объемный расход газа через устройство.
Осуществление полезной модели
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения содержания аэрозолей и газов в атмосфере. Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с соосными расположенными входным 2 и выходным 3 цилиндрическими патрубками анализируемого воздуха. Внутри корпуса 1 последовательно установлены первая 6 и вторая 7 плоские цилиндрические емкостные ячейки анализа аэрозолей, соединенные с блоком одновременного измерения их электрической емкости 15. Первая емкостная ячейка 6 включает два параллельных, сетчатых и круглых электрода 10 и 11, с расположенным между ними аэрозольным фильтром 9. Вторая емкостная ячейка 7 содержит два параллельных, сетчатых и круглых электрода 12 и 13, с расположенным между ними аэрозольным фильтром 14. Первая емкостная ячейка 6 расположена на диэлектрической подложке 8 перпендикулярно и соосно входному цилиндрическому патрубку 2 напротив его выходного отверстия 18. Вторая плоская цилиндрическая емкостная ячейка 7 установлена соосно перед выходным цилиндрическим патрубком 3 и закреплена на диэлектрическом держателе 19. Газовая камера 17 с сенсором 5 размещена между второй емкостной ячейкой 7 и выходным патрубком 3, соединенным с побудителем расхода Q анализируемого воздуха 4. Ячейки 6 и 7 расположены в корпусе 1 параллельно.
Диаметр патрубка 2 составляет D=1-3 см, расстояние между емкостной ячейкой 6 и торцом выходного отверстия 18 патрубка 2 варьируется в диапазоне L=1-3 см, величина объемного расхода анализируемого газа через устройство Q=0,5-5 л/с.
Волокнистые аэрозольные фильтры 9 и 14 изготовлены из тефлона, стекловолокна или перхлорвинила. Их эффективность улавливания аэрозольных частиц диаметром более 0,1 мкм составляет Е>99,99%.
Начальная емкость ячеек 6 и 7 без фильтрата варьируется от 10 до 100 пФ. Круглые, сетчатые электроды 11-13 выполнены из нержавеющей сетки. Величина их диаметра d(э)=5-10 см в зависимости от выбора требуемых значений объемного расхода газа Q.
Для измерения малых значений емкостей ячеек 6 и 7 в диапазоне С=10-500 пФ используется метод генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азимзаде, 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 величин емкости ячеек 6 и 7 составляет 0,03-0,05 пФ.
Устройство работает следующим образом. Двухфазный поток аэрозолей, примесных газов и воздуха отбирается из атмосферы для анализа побудителем расхода 4. При обтекании плоской цилиндрической емкостной ячейки 6 траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра 9. При анализе капельного аэрозоля пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее дробления воздушным потоком с образованием вторичных капель.
2
2
Размер инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра первой плоской цилиндрической емкостной ячейки анализа аэрозолей зависит от их плотности, расхода анализируемого воздуха через патрубок 2, расстояния между торцом выходного отверстия 18 и плоской ячейкой 6. Для крупных частиц диаметром d>1-2 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk=τ(p)U/D, где τ(р)≈ρdС(Кn)/(18η) - время релаксации частиц диаметром d<150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, U=AQ/πD- линейная скорость газа из отверстия 18, ρ - плотность частицы, С(Кn)=1+1,23 (2λ/d) - поправка Стокса-Каннигема на скольжение газа, λ - средняя длина свободного пробега молекул воздуха, μ - его динамическая вязкость (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(к)≈0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы практически не осаждаются на аэрозольный фильтр первой емкостной ячейки (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.).
При фиксированных значениях Q, D и L эффективность инерционного осаждения частиц Е от величины d определяется расчетным путем с использованием модельного аэрозоля для калибровки устройства. При Stk>1 эффективность Е>90%, а при Stk<0,2 величина Е→0.
В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц на поверхности и внутри аэрозольного фильтра первой плоской цилиндрической емкостной ячейки 6 изменяется ее емкость С(1), по величине которой определяется массовая концентрация грубодисперсных аэрозольных частиц от времени анализа. Более мелкие частице, не осевшие в порах фильтра 9 первой емкостной ячейки, осаждаются в пористой структуре высокоэффективного аэрозольного фильтра 14 второй плоской цилиндрической емкостной ячейки 7. Это приводит к изменению ее емкости С(2), по величине которой определяется массовая концентрация более мелких аэрозольных частиц от времени анализа. Значения С(1) и С(2) одновременно регистрируются емкостным блоком их измерения 15. Обе плоские цилиндрические емкостные ячейки предварительно калибруются с использованием аэрозолей с заданным размером частиц и величиной их массовой концентрации. В результате определяется фракционная массовая концентрация грубодисперсных и более мелких аэрозольных частиц от времени их анализа.
В процессе анализа в атмосфере двух фракций массовой концентрации крупных и мелких аэрозольных частиц, одновременно, регистрируется с помощью инфракрасного оптического сенсора 5 типа MIPEX с быстродействием τ<0,35 с объемная концентрация парогазовых примесей типа метана, широкой фракции паров регазифицированного сжиженного природного газа и топливных жидкостей типа керосин, бензин, дизельное топливо и т.п. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Увеличение числа емкостных ячеек до 5-6 позволяет осуществлять измерение массового фракционного состава аэрозолей от величины их диаметра.
Пример.
0
0
-12
0,5
0,5
Диаметр корпуса 1 составлял 10 см, а его длина - 15 см. Диаметры электродов 10-13 их нержавеющей сетки 8 см, расстояние между ними d(к)≈0,2 см, аэрозольные фильтры 9 и 14 были выполнены из перхлорвинила или стекловолокна с открытой пористостью около 95%, диэлектрическая подложка 8 и держатель 19 изготовлены из тефлона. Измеренное значение емкостей ячеек 6 и 7 без аэрозольных частиц С=21 пФ и согласуется с расчетным согласно формуле плоского конденсатора С=εεS/d(к)=21,4 пФ, где S - площадь электродов 10-13, ε≈1 - диэлектрическая проницаемость между ними и ε=8,85×10 Ф/м. Формула плоского конденсатора справедлива при условии, что d(к)/S<<1. Для выбранной геометрии отношение d(к)/S≈0,029.
Для измерения малых значений емкостей ячеек 6 и 7 в диапазоне 10-500 пФ использовался метод генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азимзаде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989, 456 С.). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора применен таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Для контроля параллельно с измеряемым конденсатором установлено сопротивление 5,6 мегом. Нулевая частота составляет 100-300 кГц. Микропроцессор измеряет частоту, обрабатывает данные и передает в компьютер. Компьютерная программа окончательно обрабатывает данные и записывает их в файл. Период опроса датчика порядка 0,1 секунд. Ориентировочное разрешение по генерации составляет около 100 импульсов на 1 пФ. Соответственно, схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.
3
Анализировались при температуре около 30°С смеси аэрозольных частиц капель авиационного керосина ТС-1 с плотностью ρ=0,8 г/см и диаметром d=50-500 мкм и менее 1 мкм с известной массовой концентрацией.
Массовая концентрация капель от величины их диаметра измерялась весовым методом путем отбора на аналитические фильтры с использованием шестикаскадного импактора с круглыми соплами (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.). Бимодальный спектр капель создавался смешиванием потоков капель из пневматического генератора ЭКР-600/08 керосина с d>50 мкм и с использование конденсационного генератора субмикронных тумана капель "ТО-52" с d≈0,2-1 мкм. Диаметр патрубка 2 был равен D=2 см, расстояние L=2 см, расход воздуха Q=2 литр/с, его скорость из отверстия 18 составляла U=6,4 м/с. Число Стокса Stk>1 для капель керосина диаметром d>85 мкм. Соответственно, на поверхности и в порах фильтра 9 ячейки 6 осаждалось более 90% капель с d>90-100 мкм. Более мелкие капли с эффективностью Е>99,9% улавливались фильтром 14 ячейки 7. Изменение емкостей С(1) и С(2) ячеек 6 и 7 было пропорционально времени отбора капель и максимальное значение составляло около 30 пФ. Надежно измеряемое изменение емкостей ячеек 6 и 7 при анализе аэрозолей составляло 0,05 пФ с относительной ошибкой менее 10%.
Сенсор 5 типа MIPEX с быстродействием τ<0,35 с был предварительно откалиброван на примеси пары керосина ТС-1 в воздухе при температуре от 5 до 50°С.
В результате была измерена массовая концентрация капель керосина диаметром d>90-100 мкм и более мелких с d≈0,2-90 мкм. Полученные данные удовлетворительно совпадали с величинами концентрации, измеренные весовым методом с помощью шестикаскадного импактора. Одновременно, фиксировалась концентрация паров керосина при фиксированной температуре около 30°С. Ее значение оказалось в несколько раз меньше величины, соответствующей давлению насыщенного пара керосина ТС-1.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет, одновременно, осуществлять анализ в атмосферном воздухе двух фракций массовой концентрации крупных и мелких аэрозольных частиц с помощью двух емкостных ячеек и регистрировать оптическим сенсором объемную концентрацию парогазовых примесей типа метана, широкой фракции паров регазифицированного сжиженного природного газа и топливных жидкостей типа керосин, бензин, дизельное топливо и т.п. Устройство по прототипу не позволяет одновременно осуществлять анализ двух фракций массовой концентрации аэрозольных частиц и парогазовых примесей в атмосфере.