Устройство изоляции зараженного воздуха в статичной ингаляционной камере для пробоотбора
DEVICE FOR ISOLATING CONTAMINATED AIR IN STATIC INHALATION CHAMBER FOR SAMPLING

Изобретение относится к области получения образцов для исследования в газообразном состоянии и сосудов, специально предназначенных для медицинских целей, с приспособлением для удержания образцов содержимого. Оно может быть использовано в области медико-биологических исследований, а именно - в ингаляционной токсикологии для оценки параметров аэрозоля веществ в статичной ингаляционной камере.
Аналогов устройства по изоляции проб зараженного воздуха в статичной ингаляционной камере перед аспирацией не обнаружено. В настоящее время пробы воздуха при проведении токсикологических исследований отбирают путем аспирации (засасывания специальными приборами - аспираторами) из общего объема воздушной среды [ГОСТ Р ИСО 16200-1-2007. Воздух замкнутых помещений. Ч. 1. Отбор проб. Общие положения]. Такой подход к отбору проб воздуха для определения в нем вредных примесей является принципиальным и используется в течение многих десятилетий [Игнатов Н.К. Практическое руководство по методике санитарно-гигиенических исследований, М. - Л.: Биомедгиз, 1935. - 703 с.; Рязанов В.А. Санитарная охрана атмосферного воздуха, М.: Медгиз, 1954. - 235 с.; Каспаров А.А. Гигиена труда и промышленная санитария. - М.: Медицина, 1977. - 384 с.].
Предпосылками к созданию устройства изоляции проб зараженного воздуха непосредственно перед аспирацией являются недостатки существующего подхода к отбору проб воздуха из статичной ингаляционной камеры:
- при отборе воздуха из ингаляционной камеры, представляющей собой герметичную емкость, в замкнутом пространстве происходит понижение давления(При измерении U-образным водным манометром, через 3 мин аспирации воздуха из замкнутой ингаляционной 200-литровой камеры с объемной скоростью 5 л/мин, внутреннее давление снижается на 2 мм вод. ст.). Очевидно, что в условиях отсутствия абсолютной герметичности (в ходе эксплуатации ингаляционных камер практически всегда обнаруживается наличие микротрещин) при понижении внутреннего давления в ингаляционную камеру неизбежно подсасывается наружный воздух;
- при аспирации перед соплом зонда образуется область разрежения, которая зависит от объемной скорости пробоотбора и диаметра сопла зонда. При переходе области разрежения в область нормального атмосферного давления, скорость потока воздуха к точке аспирации падает пропорционально квадратному корню от расстояния, что неизбежно создает на некотором расстоянии от точки аспирации условия избирательного захвата частиц аэрозоля меньшего размера;
- отсутствие изокинетических условий(Изокинетическим потоком называется набегающий поток воздуха, равный по линейной скорости потоку воздуха на срезе сопла средства пробоотбора. Изокинетичность потока позволяет сохранить его ламинарность.) при аспирации воздуха из общего объема ведет к нарушению ламинарности движения воздушных масс и дифференцированному захвату частиц аэрозоля различного размера из общей массы воздуха, что влияет на величину определяемой концентрации веществ в воздухе (при различной объемной скорости аспирации), а также искажает процентное содержание фракций аэрозоля различной дисперсности [Ахаронсон Е.Ф. Загрязнение воздуха и легкие: [пер. с англ.] / Е.Ф. Ахаронсон, А. Бен-Давид, М. Кинберг. - М.: Атомиздат, 1980. - 180 с.; Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы, туманы: [пер. с англ.] / Х. Грин, В. Лейн. Л.: Химия, 1972. - 428 с.].
Влияние перечисленных выше недостатков приводит к искажению величины определяемых параметров аэрозоля веществ в статичной ингаляционной камере. Наличие системной погрешности при отборе проб воздуха непосредственно из общего объема замкнутой камеры подтверждено экспериментально при следующих условиях загрязнения воздуха и определения в нем концентраций химического агента:
- статичная ингаляционная камера объемом 500 л;
- в качестве химического агента для загрязнения воздуха использовали дибутилфталат (ДБФ);
- для создания аэрозоля использовали генератор компрессионного типа «Pari-Master», имеющий производительность по диспергированию ДБФ на открытом пространстве около 0,25 мл/мин;
- распыл ДБФ осуществляли в течение 2 мин (до создания видимого тумана);
- в ходе распыла ДБФ и в течение 1 мин после окончания распыла, воздух в ингаляционной камере принудительно перемешивали внутренним вентилятором - для выравнивания концентрации химического агента по объему камеры. Затем перемешивающее устройство отключали для успокоения внутренних потоков воздуха. Общая длительность перемешивания воздуха составляла 3 мин;
- пробоотбор воздуха производили после успокоения потоков (не менее чем через 2 мин);
- отбор проб воздуха осуществляли аспиратором ОП-442ТЦ, позволяющим отбирать воздух с различной объемной скоростью;
- пробоотбор воздуха проводили при объемных скоростях: 2, 3, 5, 7 и 10 л/мин, при одинаковом отбираемом объеме - 5 л;
- в связи с тем, что при различной объемной скорости пробоотбора воздуха длительность аспирации 5 л является различной, время начала аспирации изменяли таким образом, чтобы середина временнóго интервала пробоотбора приходилась на одну и ту же временнýю точку после распыла - 6,25 мин (такой подход нивелировал естественную седиментацию частиц аэрозоля и падение концентрации вещества в ингаляционной камере во времени).
Данные определения концентраций химического агента, в соответствии с описанными выше условиями, представлены в таблице 1.
Таким образом, изменение объемной скорости пробоотбора от 2 до 10 л/мин ведет к уменьшению величины определяемой концентрации вещества в воздушной среде ингаляционной камеры.
Чтобы нивелировать влияние подсасывания в ингаляционную систему наружного воздуха во время пробоотбора, а также нивелировать влияние избирательного захвата частиц аэрозоля меньшей дисперсности, необходимо аспирировать порцию воздуха из сектора заданного объема, изолированного от общего объема оцениваемой воздушной среды непосредственно перед отбором пробы воздуха. Данная идея рассмотрена в [Патент 2718747 RU МПК G01N 1/22, A61J 1/12. Способ отбора проб зараженного воздуха для определения концентрации веществ при исследовании ингаляционной токсичности / Мокшанов И.В., Эрдниев Л.П., Леготин И.В., Ситников В.В., Клещенко Р.В.; заявитель и патентообладатель ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России. Заявка №2019137145; заявл. 19.11.2019; опубл. 14.04.2020. - 19 с.]. Проведение экспериментального исследования показало, что использование буферной камеры для изоляции проб отбираемого воздуха позволяет исключить избирательную аспирацию частиц аэрозоля различного размера и получать стабильные данные даже при различной объемной скорости аспирации (таблица 2).
Однако при использовании дополнительной буферной камеры, соединенной с основной ингаляционной камерой магистралями и снабженной насосом для принудительной циркуляции воздуха между буферной и основной камерами, неизбежно происходит потеря вещества, что видно при сравнении нижних строк таблиц 1 и 2. Для того чтобы определяемые значения концентрации приближались к эталонным, необходимо быстро и аккуратно изолировать воздух внутри самой ингаляционной камеры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретения, заключается в создании устройства, позволяющего изолировать порцию заданного объема воздуха внутри статичной ингаляционной камеры непосредственно перед аспирацией, не производя при этом возмущения воздушной среды.
Поставленная задача решается созданием внутри ингаляционной камеры цистерны с боковой поверхностью, образуемой из плоского листа путем оборачивания вращающихся оснований.
Техническим результатом изобретения является аспирация из статичной ингаляционной камеры только изолированной части зараженного воздуха, при сохранении полного покоя в остальной части воздуха ингаляционной камеры. При этом состав отобранного воздуха абсолютно идентичен составу воздушной среды ингаляционной камеры на момент изоляции пробы воздуха. Как следствие, определяемые параметры аэрозоля вещества (концентрация и дисперсность) приближаются к эталонной величине.
Уровень техники. Для изоляции сектора фиксированного объема внутри статичной ингаляционной камеры возможны различные подходы.
Может быть смонтирована шиберная задвижка, отсекающая часть камеры заданного объема. Может быть смонтирована цилиндрическая (призматическая) труба заданного объема, входящая в камеру в осевом направлении и изолирующая часть воздуха от общего пространства между двумя стенками камеры. Но при реализации этих подходов у ингаляционной камеры неизбежно появятся существенно выступающие элементы конструкции(Для пробоотбора воздуха из центральной части камеры выступающие элементы конструкции будут сопоставимы с размерами камеры в месте крепления элементов.), что затруднит эксплуатацию ингаляционной камеры. Реализация представленных подходов является технически сложной из-за возможности перекосов конструкции.
Внутрь камеры может быть помещена емкость, в которую воздух будет попадать «самотеком», как это используется при взятии проб воды на глубине с помощью батометра [Общая и военная гигиена / под ред. Кроткова Ф.Г. - М.: Военное издательство, 1952. - 288 с.]. Однако при таком подходе воздухообмен между емкостью и камерой пассивен и будет происходить медленно. Даже при использовании емкости с широким горлом сомнительно соответствие состава воздуха внутри изолированной емкости и остальной части ингаляционной камеры.
Из сказанного выше вытекает необходимость разработки устройства, работающего принципиально иным образом.
Признаки, характеризующие разработанное устройство и необходимые для достижения технического результата:
- образование емкости для изоляции отбираемого воздуха происходит непосредственно в среде ингаляционной камеры;
- боковая стенка изолирующей емкости образуется из плоского листа путем оборачивания вращающихся оснований;
- передняя кромка плоского листа, образующего боковую стенку изолирующей емкости, играет роль лезвия, отсекающего круговым движением порцию воздуха от остальной части ингаляционной камеры;
- при оборачивании оснований плоский лист изгибается и осуществляет движение, переходящее из поступательного в циркулярное, без маховых движения и без возмущения воздушной среды;
- при аспирации пробы зараженного воздуха из изолирующей емкости, в остальной части воздушной среды ингаляционной камеры сохраняется состояние покоя.
Устройство, подготовленное к изоляции воздуха, конструктивно представляет собой отдельные плоские элементы (фиг. 1), которые в процессе изоляции порции воздуха сворачиваются в цистерну. Наиболее удобной представляется форма цилиндрической цистерны(Кроме цилиндра, путем оборачивания плоским листом одного круглого основания, может быть получена объемная фигура в виде конуса. Так же возможно образование сложных цистерн, с цилиндрической серединой и коническими краями. В связи с этим форма изолирующей емкости не включена в формулу изобретения.).
Верхнее 7 и нижнее 2 основания цилиндра жестко закреплены на полой оси 3. К основаниям 7 и 2 по касательной линии прикреплена тонкая упругая пластина 4. Пластину 4 в растянутом состоянии удерживает упругий элемент 5.
При вращении оси 3 и закрепленных на ней оснований 7 и 2, пластина 4 совершает поступательно-круговое движение и накручивается на основания 7 и 2, образуя боковую сторону цилиндрической цистерны (фигура 2). Передняя часть пластины 4, прикрепленная к основаниям, служит лезвием, отсекающим порцию воздуха от общего объема ингаляционной камеры. После полного наматывания пластины 4 на основания 7 и 2 образуется цилиндрическая цистерна (фигура 3).
Верхняя часть полой оси 3 соединяется при помощи подшипникового узла с потолком ингаляционной камеры и, кроме жесткого соединения оснований 1 и 2 друг с другом, служит для сообщения внутренней части цилиндра с атмосферой при аспирации изолированной порции воздуха.
Нижняя часть полой оси 3 соединяется при помощи подшипникового узла с полом ингаляционной камеры. Через нее осуществляется аспирация зараженного воздуха из цилиндра.
Процесс расправления цистерны после аспирации пробы зараженного воздуха из ингаляционной камеры осуществляется в обратном порядке. Ось 3 и закрепленные на ней основания 1 и 2 начинают вращаться в противоположном направлении. При этом пластина 4 начинает стягиваться упругим элементом 5, и цилиндрическая емкость расправляется на плоские составные части, не препятствующие движению аэрозольных частиц в ингаляционной камере.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет изолировать для пробоотбора порции воздуха заданного объема внутри статичной ингаляционной камеры, не производя при этом возмущения воздушной среды, что повышает точность определяемых параметров аэрозоля.