УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ АЭРОЗОЛЯМИ И ВЫБРОСАМИ ПАРОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного измерения массовой концентрации аэрозолей, метана или паров регазифицированного сжиженного природного газа (метан с примесями этана, пропана и др. алканов) в системах мониторинга атмосферных потоков на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и предупреждения техногенных аварий при выбросе регазифицированного сжиженного природного газа (СПГ) с возникновением существенных колебаний температуры смеси воздуха, аэрозолей и паров в диапазоне Т=(-70) - (+30)°С с ее временным градиентом G=dT/dt>3 град./мин.
Уровень техники
Известно фотоэлектрическое устройство для анализа облачных капель (авторское свидетельство СССР, №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу набегающему анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Недостатком данного устройства является невозможность одновременного анализа аэрозолей и примесей углеводородов в воздухе.
Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для предварительной обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Недостатком устройства является невозможность одновременного анализа примесей паров углеводородов и аэрозолей в воздухе.
Известен газоанализатор токсичных, радиоактивных и горючих газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий датчик радиоактивности и набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем для устранения конденсации влаги, внутренний измеритель температуры газов, пылевой фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен побудитель расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса и внешней коммутации для питания и управления. Его недостатком невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и примесных газов в воздухе.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других газообразных углеводородов, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов. Его недостатком невозможность одновременного анализа аэрозольных загрязнений и углеводородных газов при выбросе и регазификации сжиженного природного газа (СПГ) в воздушном потоке с температурой Т<-(10-40)°С и существенных колебаниях их температуры с градиентом G>3 град./мин.
Известно устройство для измерения содержания газов и пыли в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газовый 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 загрязненности воздуха примесными газами, каплями воды и других аэрозолей с малым электрическим сопротивлением, фильтрат которых резко уменьшает электрическое сопротивление между электродами и непредсказуемо изменяет межэлектродную емкость, а также существенные ошибки измерений при резких колебаниях их температуры с G>3 град./мин.
Известно устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее корпус для аспирации воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно калибруется для определения массовой концентрации уловленного фильтрата в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра при фиксированном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность одновременного анализа газовых и аэрозольных концентраций в воздухе при колебаниях температуры для измерения его загрязненности.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения концентрации аэрозолей и примесных газов в воздушном потоке (патент РФ на полезную модель №195687, прототип), включающее цилиндрический корпус для аспирации воздуха с аэрозольным фильтром, блок измерения его газодинамического сопротивления, побудитель фиксированного расхода анализируемого воздуха. На входе цилиндрического корпуса установлена защитная, газораспределительная металлическая сетка, после аэрозольного фильтра в цилиндрическом корпусе для аспирации воздуха перед побудителем фиксированного расхода анализируемого воздуха установлен соосно газовый инфракрасный сенсор, подключенный к электронному блоку питания и регистрации его данных. Аэрозольный фильтр выполнен из стекловолокна с открытой пористостью более 90%.
Недостатком устройства по прототипу является невозможность его использования для измерения загрязненности воздуха аэрозолями, метаном или парами СПГ при пониженной температуре Т<-(10-40)°С, так как рабочая температура наиболее известных инфракрасных сенсоров типа отечественного «Mipex» или зарубежного «Dynament» в зависимости от его модели составляет Т>-(10-40)°С. Кроме того, при быстром изменении градиента температуры смеси воздуха, аэрозолей и паров СПГ с dT/dt ≥3 град/мин возможна существенная ошибка определения их концентрации (Малогабаритный измерительный датчик взрывоопасных газов MIPEX-02-X-Х-Х.1 (RX). Руководство по эксплуатации ESAT.413347.002 РЭ. ООО "Оптосенс". Санкт-Петербург; Газоанализаторы серии Сенсис. ООО Дельта-С.2008. Москва. Зеленоград).
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для измерения загрязненности воздушных потоков аэрозолями и выбросами паров сжиженного природного газа с расширением его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для измерения загрязненности воздушных потоков аэрозолями и выбросами паров сжиженного природного газа при существенных колебаниях их температуры путем одновременного определения концентрации выбросов регазифицированного сжиженного метана или СПГ, а также аэрозольных примесей в анализируемом потоке воздуха при температуре до -70°С с существенными изменениями ее градиента G ≤10 град./мин.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения загрязненности воздушных потоков аэрозолями и выбросами паров сжиженного природного газа, включающее газораспределительную сетку на входе цилиндрического корпуса с поперечным дисковым аэрозольным фильтром, блок измерения его газодинамического сопротивления, побудитель фиксированного расхода для аспирации воздуха через устройство, газовый инфракрасный сенсор, подключенный к электронному блоку питания и регистрации его данных и установленный соосно в цилиндрическом корпусе после дискового аэрозольного фильтра, выполненного из стекловолокна с открытой пористостью более 90%, при этом между дисковым аэрозольным фильтром и газовым инфракрасным сенсором последовательно и соосно установлены газопроницаемый цилиндр с грубопористой медной структурой, осевой вентилятор и газопроницаемый диск для перемешивания и нагревания теплообменом воздушного потока.
Кроме того, отношение масс грубопористой медной структуры газопроницаемого цилиндра и аэрозольного фильтра составляет более 500, а их геометрических площадей поверхности более пяти.
В результате установки между дисковым аэрозольным фильтром и газовым инфракрасным сенсором последовательно и соосно газопроницаемого цилиндра с грубопористой медной структурой, осевого вентилятора и газопроницаемого диска для турбулентного перемешивания и нагревания теплообменом воздушного потока достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно осуществляется одновременный анализ массой концентрации аэрозольных частиц, а также объемной или массовой концентрации примесных газов типа метана или паров СПГ в анализируемом воздушном потоке в режиме реального времени при существенном изменения их температуры от +(20-30) до -(60-70)°С с резкими вариациями ее градиента G≤ 10 град./мин.
Концентрация газообразного метана или паров СПГ в воздушном потоке измеряется с временем быстродействия менее 1 с оптическим инфракрасным сенсором типа Mipex согласно патенту РФ №2187093.
Массовая концентрация аэрозолей определяется путем измерения дифференциального газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра ΔР в зависимости от величины уловленного осадка аэрозолей. Величина ΔР измеряется датчиком газодинамического сопротивления. Предварительно аэрозольный фильтр калибруется путем детектирования величины изменения его газодинамического сопротивления от массы уловленного фильтрата при заданном объемном расходе воздуха.
Металлическая сетка на входе цилиндрического корпуса установлена для защиты аэрозольного фильтра от импакции крупных аэрозольных частиц и выравнивания профиля давления и скорости воздушного потока в корпусе, что повышает точность измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра.
Установка перед вентилятором газопроницаемого цилиндра с грубопористой медной структурой позволяет нагревать анализируемый воздушный поток до температуры более -30°С за счет аккомодации молекул воздуха и углеводородов на развитой поверхности медной пористой структурой. Ее масса существенно превосходит массу аэрозольного фильтра и массу воздушного потока за время анализа при выбросе СПГ.
3
Изготовление грубопористой структуры газопроницаемого цилиндра из меди обусловлено ее большой теплопроводностью (400 Вт/м°К при 273°К) по сравнению с другими металлами и существенной плотностью (≈8,9 г/см).
Площадь геометрической поверхности газопроницаемого цилиндра более чем в пять раз больше площади аэрозольного фильтра. Это позволяет существенно уменьшить скорость течения воздуха и увеличить время теплообмена молекул воздуха с поверхностью газопроницаемого цилиндра. При этом осевой вентилятор защищен от воздействия отрицательной наружной температуры до -70°С за счет осуществления нагревания воздушного потока газопроницаемым цилиндром с грубопористой медной структурой.
Кроме того, установка газопроницаемого диска после вентилятора и перед сенсором позволяет осуществлять дополнительное турбулентное перемешивание воздушного потока, так как газопроницаемый диск создает аэродинамическое сопротивление потоку воздуха от вентилятора и между ними возникает дополнительная зона турбулентного перемешивания анализируемого воздушного потока в цилиндрическом корпусе устройства.
В результате, к сенсору поступает однородно перемешенный воздушный поток с примесью паров углеводородов при температуре более -30°С и величиной ее градиента G<3 град./мин в течение достаточно длительного интервала времени. Это позволяет определять концентрацию метана или паров регазифицированного СПГ при температуре снаружи до -(60-70)°С с величиной ее градиента до G ≤10 град./мин в течение относительно длительного времени выброса паров сжиженного газа в атмосферу.
По прототипу невозможно определять концентрацию метана или паров СПГ при температуре ниже -40°С, а при величине G>3 град./мин может возникать существенная ошибка измерения концентрации углеводородов в неоднородно перемешенном воздушном потоке с примесью углеводородов.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения загрязненности воздушных потоков аэрозолями и выбросами паров сжиженного природного газа, где:
1 - цилиндрический корпус;
2 - аэрозольный, дисковый, стекловолокнистый фильтр;
3 - газовый инфракрасный сенсор;
4 - выходной патрубок газового потока в виде круглого конфузора;
5 - побудитель расхода анализируемого воздуха через устройство;
6 - электронной блок питания и регистрации данных сенсора 3;
7 - блок измерения газодинамического сопротивления фильтра 2;
8 - защитная, газораспределительная сетка;
9 - круглый конфузор;
10 - грубопористая медная структура цилиндра 11 для перемешивания и нагревания теплообменом воздушного потока Q;
11- газопроницаемый цилиндр с грубопористой медной структурой;
12 и 13 - термопары хромель-алюмель;
14 - осевой вентилятор для перемешивания воздушного потока и его нагрева;
15 - газопроницаемый диск;
Q - объемный расход анализируемого воздуха через устройство;
0
S - геометрическая площадь фронтальной поверхности фильтра 2;
S - геометрическая площадь фронтальной поверхности цилиндра 11;
Т - наружная температура смеси воздуха, аэрозолей и паров;
1
Т - температура смеси воздуха и паров углеводородов перед сенсором 3.
Осуществление полезной модели
0
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для измерения загрязненности воздушных потоков аэрозолями и выбросами паров сжиженного природного газа. Устройство содержит цилиндрический корпус 1, в котором расположен аэрозольный фильтр 2, подключенный к блоку 7 для измерения его дифференциального сопротивления воздушному потоку. В центре корпуса 1 после фильтра 2 установлен соосно газовый оптический инфракрасный сенсор 3, соединенный с блоком его питания и регистрации данных 6. На выходе канала 1 соосно размещен выходной цилиндрический патрубок газового потока 4 в виде конфузора, состыкованного с побудителем расхода анализируемого воздуха 5. Металлическая сетка 8 на входе цилиндрического корпуса 1 установлена для защиты аэрозольного фильтра от импакции крупных дисперсных частиц и выравнивания профиля давления и скорости воздушного потока в корпусе 7, что повышает точность измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра 2. Анализируемый воздушный поток поступает к фильтру 2 через сетку 8 и конфузор 9. Между дисковым аэрозольным фильтром 2 и газовым инфракрасным сенсором 3 последовательно и соосно установлен газопроницаемый цилиндр 11 с грубопористой медной структурой 10, осевой вентилятор 14 и газопроницаемый диск 75 для перемешивания и нагревания теплообменом воздушного потока Q. Отношение масс грубопористой медной структуры газопроницаемого цилиндра М и аэрозольного фильтра т составляет более 500, а их геометрических площадей поверхности S/S более пяти. Размер квадратных ячеек металлической сетки 8 составляет от 3×3 до 5×5 мм.
Величина объемного расхода анализируемого газа через устройство Q ≈ 0,5-1 л/с. Аэрозольный фильтр 2 изготовлен из стекловолокна. Его эффективность улавливания аэрозольных частиц диаметром более 0,01 мкм составляет Е>99,99%. Величина диаметра фильтра 2 варьируется от 5 до 30 см в зависимости от выбора значений объемного расхода воздуха Q.
2
4
Диапазон изменения дифференциального сопротивления ΔР аэрозольного фильтра 2 зависит от скорости течения анализируемого двухфазного потока через фильтр 2 и массы накопленного фильтрата аэрозольных частиц. Оптимальный диапазон изменения величины ΔР варьируется от 10 до 10 Па.
В результате установки между дисковым аэрозольным фильтром 2 и газовым инфракрасным сенсором 3 последовательно и соосно газопроницаемого цилиндра 11 с грубопористой медной структурой 10, осевого вентилятора 14 и газопроницаемого диска 15 для турбулентного перемешивания и нагревания теплообменом воздушного потока достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно осуществляется одновременный и непрерывный анализ массой концентрации аэрозольных частиц, а также объемной или массовой концентрации примесных газов типа метана или паров СПГ в анализируемом воздушном потоке в режиме реального времени при существенном изменения их температуры от +(20-30) до -70°С с изменениями ее градиента G до 10 град./мин.
Концентрация газообразного метана и паров регазифицированного СПГ в воздушном потоке измеряется с временем быстродействия менее 1 с оптическим инфракрасным сенсором 3 типа Mipex согласно патенту РФ №2187093.
Массовая концентрация аэрозолей определяется путем измерения дифференциального газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра ΔР в зависимости от величины уловленного осадка аэрозолей. Величина ΔР измеряется датчиком газодинамического сопротивления 7. Предварительно аэрозольный фильтр 2 калибруется путем детектирования величины изменения его газодинамического сопротивления от массы уловленного фильтрата при заданном объемном расходе анализируемого воздуха.
Металлическая сетка 8 на входе цилиндрического корпуса 1 установлена для защиты аэрозольного фильтра 2 от импакции крупных аэрозольных частиц и выравнивания профиля давления и скорости воздушного потока в корпусе 1, что повышает точность измерения газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра ΔР.
Установка перед вентилятором 14 газопроницаемого цилиндра 11 с грубопористой медной структурой 10 позволяет осуществлять нагревание анализируемого воздушного потока Q до температуры более -30°С за счет аккомодации молекул на развитой поверхности медной пористой структурой 10. Ее масса существенно превосходит массу аэрозольного фильтра и массу воздушного потока за время анализа при кратковременном выбросе СПГ в течении 10-20 минут в зависимости от T и Q.
3
Изготовление грубопористой структуры 10 из меди обусловлено ее большой теплопроводностью (≈ 400 Вт/м°К при 273°К) по сравнению с другими металлами и существенной плотностью (≈8,9 г/см).
Площадь геометрической поверхности газопроницаемого цилиндра 11 более чем в пять раз больше площади аэрозольного фильтра 2. Это позволяет уменьшить скорость течения воздуха и существенно увеличить время теплообмена молекул воздуха с поверхностью газопроницаемого цилиндра по сравнению с фильтром 2. В результате, осевой вентилятор 14 защищен от воздействия отрицательной наружной температуры до -70°С за счет нагревания воздушного потока Q газопроницаемым цилиндром 11 с грубопористой медной структурой 10.
Кроме того, установка газопроницаемого диска 15 после вентилятора 14 и перед сенсором 3 позволяет осуществлять дополнительное турбулентное перемешивание воздушного потока, так как газопроницаемый диск 15 создает аэродинамическое сопротивление потоку воздуха от вентилятора и между ними возникает дополнительная зона турбулентного перемешивания воздушного потока в цилиндрическом корпусе устройства 1.
В результате, к сенсору 3 поступает однородно перемешенный воздушный поток с примесью паров углеводородов при температуре более -30°С и величиной ее градиента G<3 град./мин в течение достаточно длительного интервала времени. Это позволяет определять концентрацию метана и паров СПГ при температуре снаружи до -(60-70)°С с величиной ее градиента до G≤ 10 град./мин в течение относительно длительного времени при выброса паров сжиженного газа в атмосферу.
По прототипу невозможно определять концентрацию метана и паров СПГ при температуре ниже -40°С, а при величине G>3 град./мин может возникать существенная ошибка измерения концентрации углеводородов в неоднородно перемешенном воздушном потоке с примесью углеводородов.
3
Устройство работает следующим образом. Двухфазный поток аэрозолей, примесных газов и воздуха отбирается в корпус 1 через сетку 8 и фильтр 2 побудителем расхода 5. В процессе улавливания аэрозольных частиц высокоэффективным фильтром 2 возрастает его сопротивление ΔР при фиксированном расходе Q. Устройство предварительно тарируется. В ходе калибровки измеряется изменение во времени аэродинамического сопротивления фильтра при постоянной массовой нагрузке дисперсных частиц и фиксированном расходе Q и Т. Данные тарировки вводят заранее в измерительный блок датчика 7, где производится определение текущей величины аэродинамического сопротивления фильтра во времени, сравнение ее с данными тарировки и перевод полученных данных в значение массовой концентрации в единице объема воздуха (г/м).
Одновременно с измерением ΔР и массовой концентрации аэрозолей в воздушном потоке детектируются примеси метана или паров СПГ газовым инфракрасным сенсором 3 типа Mipex (патент РФ №2187093).
С помощью осевого вентилятор 14, газопроницаемого цилиндра 11 с грубопористой медной структурой 10 и диска 15 осуществляется нагрев и однородное перемешивание лопастями вентилятора воздушного потока Q с примесями углеводородов после аэрозольного фильтра 2 с аэродинамическим торможением воздушного потока от вентилятора газопроницаемым диском 15. Однородная смесь воздуха и углеводородов измеряется сенсором 3. Кроме того, одновременно, имеет место нагревание до температуры более -30°С воздушного потока за счет его теплообмена в процессе аккомодации молекул на развитой поверхности медной пористой структурой 10. Ее масса более чем в 100 раз превосходит массу воздуха за время анализа выброса СПГ. В результате, к сенсору 3 поступает воздушный поток с примесью паров углеводородов при температуре более -30°С и величиной ее градиента G<3 град./мин. Это позволяет определять концентрацию метана и паров регазифицированного СПГ при температуре снаружи до -70°С с величиной ее градиента до G≤10 град./мин.
Аналоговый сигнал с датчика 7 и сенсора 3 усиливается операционным усилителем, преобразуется аналоговым цифровым преобразователем в цифровой и передается с помощью интерфейса RS-485 на удаленный до 600 м компьютер (на фиг. 1 не показаны).
Пример
Анализируемый воздушный поток смеси воздуха, аэрозолей и паров углеводородов создавался путем импульсного распыления сжиженного метана 98% об. с добавками алканов (этан, пропан и др.) с образованием горизонтальной, затопленной струи в атмосфере. В процессе распыления фиксировалось резкое изменение температуры воздуха с градиентом G=dT/dt до 8-10 град./мин. В результате, в воздушном потоке анализировались при флуктуирующей наружной температуре от -(60-70) до -(5-10)°С смеси различной концентрации метана и твердых аэрозольных частиц воды с небольшой менее 3 мас. % примесью пыли на основе оксидов кремния, железа и алюминия.
3
2
0
Постоянный объемный расход анализируемого воздуха Q ≈ 500 см/с создавался с помощью аспиратора 5 марки АПВ-4. Начальное дифференциальное сопротивление фильтра 2 с площадью фильтрации около 30 см составляло ΔР ≈ 700 Па при скорости 16-17 см/с.
0
2
Устройство было установлено на мачте на высоте 6 м. Диаметр корпуса 1 составлял 10 см, его длина - 15 см, а геометрическая площадь стекловолокнистого фильтра 2 для тонкой фильтрации была равна S=40 см. Его открытая пористость составляла около 95%, а масса m=150 мг. Для детектирования углеводородов использовался взрывозащищенный сенсор 3 типа Mipex (патент РФ №2187093) с питанием 5 В, который был откалиброван на объемное содержание примесей метана от 1 до 99% об. в воздухе при температуре от -40 до 50°С с быстродействием 0,34 с.
Величина сопротивления ΔР аэрозольного фильтра 2 измерялась датчиком сопротивления 7 типа МРХ 10DP со следующими основными параметрами: быстродействие m=0,001 с, напряжение постоянного питания от 3 до 6 В, выходное напряжение от приложенного дифференциального сопротивления около 3,5 мВ/кПа, рабочая температура от -40 до +125°С, максимальный измеряемый перепад ΔР=10 кПа. Датчик 7 был герметично теплоизолирован для кратковременной в течении более 15 мин. эксплуатации при температуре до -70°С.
Аналоговый сигнал с датчика 7 и сенсора 3 усиливался операционным усилителем, преобразовывался в цифровой и передавался на удаленный компьютер на 1200 м с помощью интерфейса RS-485 (на фиг. 1 не показаны). Размер ячеек сетки 8 из нержавеющей стали составлял 4×4 мм.
2
3
Площадь поверхности газопроницаемого цилиндра 11 была равна S ≈ 300 см, а масса его грубопористой структуры 10 из гранул меди М≈ 95 г при величине открытой пористости 0,9. Изготовление грубопористой структуры 10 из меди обусловлено ее большой теплопроводностью (≈ 400 Вт/м°К при 273°К) по сравнению с другими металлами и существенной плотностью (~8,9 г/см).
2
Дисковый фильтр 15 с открытой пористостью более 80% и газопроницаемой площадью поверхности около 50 см был изготовлен из медно-алюминиевого пенопористого наполнителя. Его дифференциальное сопротивление составляло более 200 Па при скорости течения около 12 см/с.
1
Температура воздушного потока Т после диска 15 фиксировалась термопарой хромель-алюмель 12, установленной перед сенсором 3. Для контроля наружной температуры Т использовалась термопара 13, установленная перед аэрозольным фильтром 2.
0
Предварительно, стекловолокнистый фильтр 2 был прокалиброван при температуре -(10-70)°С путем измерения во времени величины его аэродинамического сопротивления ΔР при постоянной массовой нагрузке ледяных частиц воды диметром менее 1 мкм при постоянной скорости фильтрации 16-17 см/с. Начальное дифференциальное сопротивление фильтра 2 составляло ΔР ≈ 700 Па при скорости 16-17 см/с. При этом учитывалось влияние колебаний температуры на сопротивление фильтра 2.
0
3
2
Измерение отношения ΔР/ΔР осуществлялось в процессе улавливании твердых частиц льда диаметром от 0,1 до 1 мкм и массовой концентрацией (5-7) г/м при постоянной скорости фильтрации 16-17 см/с. Первоначальная зависимость сопротивления ΔР от времени накопления твердого осадка при постоянной массовой концентрации аэрозольного потока была практически линейной. Однако, при накоплении фильтрата аэрозольных частиц m>0,2 мг/см наблюдалась нелинейная зависимость ΔР от времени t. Это обусловлено уплотнением пористой структуры осадка под действием аэродинамического давления газа. Анализ аэрозольных частиц в существенно нелинейном режиме изменения ΔР от m может привести к значительной ошибке измерений. В этом случае аэрозольный фильтр 2 подлежит замене.
3
Одновременно массовая концентрация твердых частиц измерялась весовым методом путем их отбора на аналитические стекловолокнистые фильтры (П. Райст. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 1987. 280 С.). В результате была измерена массовая концентрация частиц льда диаметром ≈ 0,1-1 мкм в диапазоне 5-7 г/м в воздушном потоке. Полученные данные в заявленной модели удовлетворительно совпадали с величинами их концентрации, измеренные весовым методом.
Для однородного перемешивания углеродно-воздушной смеси Q в цилиндрическом корпусе 7 был установлен осевой вентилятор San Асе 40; Sanyo Denki: размер 40×40×15 мм; напряжения питания постоянного тока 4,5-5,5 В; ток нагрузки 0.28 А; 7700 об/мин; рабочая температура от -30 до +60°С; класс защиты IP55.
В результате в сечении цилиндрического корпуса 1 перед сенсором 3 наблюдались флуктуации концентрации метана менее 10% об. В прототипе без вентилятора 14, цилиндра 11 и диска 15 величина флуктуаций газовых примесей была в 2-5 раз больше при его лабораторных испытаниях с использованием заводских смесей метана и азота из баллонов с концентрацией 6 и 12% об., подаваемых на вход устройства.
1
Одновременно с анализом аэрозолей, фиксировались флуктуирующие во времени значения объемной концентрации метана в диапазоне от 2 до 10% об. в затопленной струе. В процессе измерений температура воздушного потока перед сенсором 3 составляла Т=10-15°С при ее градиенте G<2-3 градусов/мин. в течение более 10 минут после выброса СПГ в течение 2-2,5 минут. При этом на входе в устройство температура стохастически уменьшалась от -10 до -70° с максимальной величиной градиента dT/dt до 8-10 град./мин в процессе испарения капель диспергированного жидкого метана с концентрацией 98% об. В этих условиях в устройстве по прототипу наблюдались существенные ошибки и разброс значений объемной концентрации при быстром понижении температуры от положительной до -(60-70)°С.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет, одновременно, осуществлять анализ в атмосфере массовой концентрации загрязняющих воздух аэрозольных частиц по изменению величины газодинамического сопротивления аэрозольного фильтра 2, измеряемой датчиком его дифференциального сопротивления 7, и одновременно регистрировать однородно перемешенную перед сенсором 3 объемную или массовую концентрацию в воздухе парогазовых примесей типа метана или паров регазифицированного СПГ при резких колебаниях наружной отрицательной температуры до -(60-70)°С с градиентом G ≤10 град./мин. Устройство по прототипу не позволяет одновременно создавать однородные газовые смеси перед сенсором и осуществлять анализ концентраций аэрозольных частиц, метана и примесей паров СПГ в атмосфере при столь низкой температуре и существенных значений ее градиента G>3 град./мин.