Устройство для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами

Полезная модель относится к устройствам мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицам и техники измерения их дисперсионного состава. Устройство может быть использовано для качественной и количественной оценки загрязненности наружной воздушной среды твердыми частицами. Область применения полезной модели - экологический контроль обособленного воздушного бассейна и санитарно -гигиенической обстановки рабочих, производственных и жилых зон. А также контроль загрязнения твердыми частицами вентиляционных выбросов газовых и котельных на твердом топливе, угольного, металлургического производства.
Известно поглотительное устройство для улавливания загрязнений воздуха (патент РФ на изобретение №2 006 020, опубл. 15.01.1994 (аналог)) содержащее частично заполненную поглощающей жидкостью емкость для взаимодействия потоков воздуха и поглощающей жидкости, выполненную в виде полого вертикально установленного цилиндра с дном, входным патрубком для подвода анализируемого воздуха, направленный по касательной внутрь цилиндра, смонтированным на выходном конце входного патрубка форсунку для распыления поглощающей жидкости потоком анализируемого воздуха и отводящий патрубок, согласно изобретению, дно емкости выполнено с расположенным в полости цилиндра по его центральной оси выступом, форсунка выполнена вакуумно-эжекционной, а ее ось расположена ниже начального уровня поглощающей жидкости.
Кроме того, нижняя часть емкости имеет форму половины внутренней поверхности круглого тора, а выступ ее дна - форму цилиндра с закругленным верхом с соотношением высоты выступа дна к его диаметру не менее двух.
Форсунка выполнена с диаметром, не меньшим половины расстояния между внутренней поверхностью цилиндра емкости и выступом дна.
Под действием выходящего из форсунки анализируемого воздуха с распыленной в нем жидкостью происходит циркуляции жидкостного потока по кольцевому зазору и забегание его на форсунку с тыльной стороны.
К недостаткам известного изобретения (патент РФ на изобретение №2 006 020, опубл. 15.01.1994) следует отнести: отсутствие системы обнаружения и идентификации твердых частиц, использование специальной поглощающей жидкости для их осаждения, что усложняет конструкцию устройства и снижает достоверность количественной и качественной оценки содержания твердых частиц в воздухе. Помимо этого, устройство не позволяет в автоматическом режиме определять дисперсный и фракционный состав частиц, их массу в объеме прокачиваемой воздушной среды. Кроме того, устройство не может быть использовано при отрицательной температуре воздуха, вследствие увеличения вязкости жидкости и/или ее замерзания.
Известно устройство многопродуктового разделения твердых частиц (порошков) гравитационного типа с пересыпными полками [Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков. М.: Химия, 1989, 160 с.] (прототип). В нем параллельно друг другу, со сдвигом по высоте, смонтировано несколько классификаторов, причем грубый продукт предыдущего классификатора является исходным для последующего. Недостаток такого объединения аппаратов - наличие целого набора систем улавливания твердых частиц (для каждой из выделяемых фракций). Помимо этого, в каждой колонке необходимо обеспечить независимый регулируемый расход воздушной среды и предусмотреть свою систему седиментации твердых частиц, однако при этом процесс заведомо будет не эффективным, а недостаток, связанный с множественностью систем улавливания твердых частиц, сохранится. Кроме того, многопродуктовые гравитационные устройства для седиментации твердых частиц из воздушной среды обладают низкой производительностью, особенно для разделения твердых частиц размером менее 100 мкм. Многопродуктовое гравитационное устройство для разделения твердых частиц, принятое в качестве прототипа, вследствие того, что одной из сил разделения является сила тяжести частицы, ускорение которой постоянно и равно ускорению свободного падения, имеет крупную границу разделения твердых частиц, нижний предел которой составляет от 50 до 500 мкм. Это является недостаточным условием для оценки достоверности качества определения дисперсионного состава частиц, поскольку нижняя граница размеров твердых частиц около промышленных предприятий и городской застройки составляет около 4 мкм.
Недостатком прототипа является: высокая трудоемкость определения фракционного состава твердых частиц (вследствие, применения ручного взвешивания твердых частиц), отсутствие автоматизации управления воздушной средой и устройств для определения морфологического состава твердых частиц, высокая металлоемкость и техническая сложность конструкции устройства.
Кроме того, устройство является стационарным, что не предопределяет его использование в качестве оперативного средства контроля загрязненности воздуха твердыми частицами, например, для мониторинга воздушной обстановки в условиях промышленных предприятий и/или городской застройки.
В основу полезной модели положена техническая задача, заключающаяся в комплексном расширении функциональных возможностей, универсальности устройства для мониторинга состояния загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами, обеспечения оперативности, достоверности и однозначности оценки состояния воздушной среды.
Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно полезной модели, устройство для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами, содержащее циклонный пылеуловитель, корпус с установленным в нем центробежным (радиальным) вентилятором и шаговым двигателем, кассету с установленной в ней CMOS-матрицы и источниками когерентного излучения с линзами, кассету с аналитическим фильтром, на котором закреплены тензодатчик для измерения массы твердых частиц и датчик засоренности аналитического фильтра, заборник наружного воздуха, в котором размещены датчики: давления атмосферного воздуха, влажности наружного воздуха, температуры наружного воздуха и воздуха в циклоне, массового расхода прокачиваемого воздуха, осушитель воздуха, кроме этого, устройство оснащено скатными пластинами для сброса твердых частиц со стенок циклонного пылеуловителя, при этом устройство для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами может функционировать как в дискретном, так и в непрерывном режимах, при этом контролирующие датчики установлены с возможностью передачи сигналов в одноплатный компьютер по защищенному каналу связи, помимо этого, устройство оснащено независимым источником электропитания, для автономной работы.
Циклонный пылеуловитель, в конструкции устройства, необходим для центробежной сепарации твердых частиц, находящихся в воздушной среде. Циклонный фильтр позволяет седиментировать твердые частицы размером от 5 до 100 мкм.
Для повышения функциональных возможностей, предлагаемого устройства, в нем применен аналитический фильтр, удерживающий твердые частицы размером менее 30 мкм. В качестве аналитического фильтра, например, может использоваться аналитический фильтр аэрозольный (АФА), изготовленный из ткани ФПП (фильтр перхлорвиниловый Петрянова). Измерение массы твердых частиц осуществляется тензометрическим датчиком, закрепленным на аналитическом фильтре. Применение тензометрического датчика позволяет по разнице массы фильтра, до и после взятия пробы воздуха, судить о количестве твердых частиц в воздушной среде.
Детектор твердых частиц состоит из параллельно размещенных источников когерентного излучения, линз, рассеивающих когерентное излучение, в качестве регистрирующего устройства применена светочувствительная матрица, выполненная на основе CMOS-технологии (complementary metal-oxide-semiconductor)-матрица, использующая полевые транзисторы с изолированным затвором и каналами разной проводимости. Применение CMOS-матрицы, обуславливает преобразование отраженного от твердой частицы света в электрический сигнал с последующей его визуализацией в удобном для пользователя виде. Использование в конструкции устройства CMOS-матрицы способствует получению детального и контрастного изображения твердых частиц, находящихся в воздушной среде, что позволяет точно и однозначно распознать их морфологию и гранулометрический состав.
Применение источников когерентного излучения позволяет повысить качество и точность распознавания объекта (твердых частиц), получаемого изображения CMOS - матрицей.
Линзы, установленные в детекторе твердых частиц, увеличивают зону рассеивания когерентного излучения на CMOS - матрице, это позволяет избежать возникновения пропусков в определении твердых частиц, содержащихся в воздушной среде. Помимо этого, линзы, установленные в детекторе твердых частиц, увеличивают контрастность когерентного излучения и исключают появление оптических искажений, образование теней и засветок на CMOS - матрице.
Задача комплексного расширения функциональных возможностей устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами достигается применением, в частности, датчиков массы и детектора твердых частиц
Задача оперативности мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами достигается сбором с датчиков устройства информации (в том числе и мгновенной) о фактическом состоянии наружной воздушной среды и цифровой обработке этой информации в одноплатном компьютере с последующим отображением фактической информации о загрязненности воздушной среды твердыми частицами на устройстве графического вывода данных в удобном для пользователя виде либо передаче информации о загрязненности воздуха твердыми частицами удаленному пользователю посредствам спутникового модема.
Задача достоверности и однозначности оценки загрязненности наружной воздушной среды твердыми частицами достигается применением датчиков с известными характеристиками. Помимо этого, применение в конструкции устройства датчиков: давления атмосферного воздуха, влажности воздуха, температуры наружного воздуха и воздуха в циклоне, массового расхода прокачиваемого воздуха позволяет определять загрязненность наружного воздуха твердыми частицами в постоянных условиях измерения.
Задача универсальности устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами достигается применением в конструкции устройства датчика массы и детектора твердых частиц, что позволяет, в значительном диапазоне, определять концентрацию твердых частиц в наружной воздушной среде.
Предлагаемая конструкция устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами позволяет комплексно реализовать сочетание преимуществ оптического, гравиметрического, счетного методов определения содержания твердых частиц в воздухе. Использование в конструкции устройства CMOS - матрицы и когерентного излучения обеспечивает достижение необходимого технического результата - повышение точности измерений до значений размеров твердых частиц в воздухе не менее 1 мкм. Это позволяет использовать разработанное устройство при метрологическом обеспечении субнанометровых технологий.
Техническая суть предлагаемой конструкции устройства поясняется иллюстрацией (фигура), где представлена принципиальная схема устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами.
На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - циклонный пылеуловитель; 2 - заборник наружного воздуха; 3 - корпус кассет; 4 - кассета; 5 - аналитический фильтр; 6 - кассета; 7 - корпус; 8 - корпус; 9 - линза; 10 - CMOS-матрица; И - источник когерентного излучения; 12 - скатная пластина; 13 - шаговый электродвигатель; 14 - электромагнит; 15 - нагреватель; 16 - датчик массового расхода воздуха; 17 - датчик давления атмосферного воздуха; 18 - датчик температуры; 19 - датчик засоренности аналитического фильтра; 20 - датчик влажности воздуха; 21 - тензодатчик; 22 - центробежный (радиальный) вентилятор, 23 - одноплатный компьютер, 24 - устройство графического вывода данных, 25 - спутниковый модем, 26 - независимый источник электропитания (электрический аккумулятор), 27 - удаленный пользователь (сервер службы мониторинга окружающей среды).
Предлагаемая конструкция устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами состоит из циклонного пылеуловителя 1, в котором последовательно размещены заборник наружного воздуха 2; корпус кассет 3; кассета 4; аналитический фильтр 5; кассета 6; корпус 7; корпус 8; линза 9; CMOS-матрица 10; источник когерентного излучения 11; скатная пластина 12; шаговый электродвигатель 13; электромагнит 14; нагреватель 15; датчик массового расхода воздуха 16; датчик давления атмосферного воздуха 17; датчик температуры 18; датчик засоренности аналитического фильтра 19; датчик влажности воздуха 20; тензодатчик 21; центробежный (радиальный) вентилятор 22, одноплатный компьютер 23, устройство графического вывода данных 24, спутниковый модем 25, независимый источник электропитания (электрический аккумулятор) 26, удаленный пользователь (сервер службы мониторинга окружающей среды) 27.
Центробежный (радиальный) вентилятор 22 предназначен для подачи заданного и/или необходимого нормированного объема воздуха через циклонный пылеуловитель 1. В кассете 6 размещены корпуса 7 и 8, в которых находятся источники когерентного излучения 11 и CMOS-матрица 10. Свет от источников когерентного излучения 11 рассеивается линзами 9, твердая частица фиксируется CMOS-матрица 10. CMOS-матрица 10 предназначена для идентификации и оценки морфологии твердых частиц. Скатные пластины 12 предназначены для сбора твердых частиц со стенок циклонного пылеуловителя 1 и для дальнейшего перемещения их в кассеты 6 и 7 для идентификации, оценки морфологии и веса. Привод скатных пластин осуществляется электромагнитом 14. В заборнике наружного воздуха 2 установлен подогреватель 15, предназначенный для осушения наружного воздуха, поступающего в циклонный пылеуловитель. В заборнике воздуха 2 установлены: датчик массового расхода воздуха 16, датчик давления атмосферного воздуха 17, датчик температуры 18, датчик влажности воздуха 20.
Применение в конструкции устройства датчика массового расхода воздуха 16 предопределяется необходимостью контроля прохождения определенного и/или требуемого объема воздуха через устройство.
Датчик давления атмосферного воздуха 17 предназначен для контроля давления атмосферного воздуха, поступающего в циклонный пылеуловитель, с целью уменьшения методической ошибки при создании разряжения в циклонном пылеуловителе 1
Датчик температуры 18 предназначен для определения температуры поступающего воздуха. Применение датчика температуры 18 обуславливается необходимостью оценки состояния воздушной среды при положительной и/или отрицательной температуре наружного воздуха.
В кассете 6 установлен аналитический фильтр 5. Аналитический фильтр 5 предназначен для осаждения твердых частиц из окружающего воздуха, а измерение весового контроля твердых частиц осуществляется тензодатчиком 21. Контроль засорения аналитического фильтра осуществляется датчиком 19.
Необходимое разряжение воздуха в циклонном пылеуловителе 1 осуществляется при помощи центробежного вентилятора 22 от шагового электродвигателя 13. Применение шагового электродвигателя обусловлено точностью скорости его вращения, а соответственно и прокачиваемого через устройство воздуха.
В конструкцию устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами входит электронный блок регистрации и обработки сигналов с датчиков 16-18, 19-21. В качестве электронного блока регистрации и обработки может использоваться одноплатный компьютер. Одноплатный компьютер 23 выполняет функцию управления устройством, посредством сбора и математической обработки информации с датчиков 16-18, 19-21 и выработки управляющего сигнала, на шаговый электродвигатель 13 или нагреватель 15. Помимо этого одноплатный компьютер 23 транслирует данные о загрязненности воздуха твердыми частицами на устройство графического вывода данных 24 и/или через спутниковый модем 25 удаленному пользователю 27. Кроме этого, одноплатный компьютер 23 обладает средствами обратной связи с датчиками 16 - 18, 19 - 21, устройством графического вывода данных 24 и удаленным пользователем 27. Удаленный пользователь 27 через спутниковый модем 25 обладает возможностью управления одноплатным компьютером 23. А именно, например, функциями: дистанционного включения/выключения устройства, установкой и обновлением программного обеспечения, диагностирования работоспособного состояния датчиков 16 - 18, 19-21.
Датчики 16-18,19-21 могут быть объединены в одну сеть и передавать сигнал на одноплатный компьютер 23 в непрерывном и/или дискретном режиме.
Передача данных с датчиков 16 - 18, 19 - 21 может осуществлять на одноплатный компьютер с помощью проводного или беспроводного защищенного канала связи. Трансляция информации на устройство графического вывода данных 24 с одноплатного компьютера 23 может осуществляться по проводному или беспроводному защищенному каналу связи. Помимо этого, передача диагностической информации с одноплатного компьютера 24 удаленному пользователю 27 (сервер службы мониторинга окружающей среды) может осуществляться по средствам спутникового модема 25.
В одноплатный компьютер 23 может быть установлено программное обеспечение, содержащее, в виде базы данных, параметры и соответствующие им величины допускаемых и предельных значений, формирующее базу данных сигналов с датчиков, а также позволяющее проводить обработку сигналов с датчиков и осуществлять оценку загрязненности воздушной среды твердыми частицами.
Устройство для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами оснащено независимым источником электропитания (электрический аккумулятор) 26, что позволяет эксплуатировать его в автономном режиме.
Принцип работы устройства для мониторинга загрязнения наружной воздушной среды твердыми частицами заключается в следующем. Одноплатный компьютер 23 вырабатывает управляющий сигнал на запуск, с определенной частотой вращения, вал шагового двигателя 13 с установленным на нем центробежным (радиальным) вентилятором 22. Это приводит к поступлению наружного воздуха через заборник наружного воздуха 2 в циклонный пылеуловитель 1. В циклонном пылеуловителе 1 происходит седиментация твердых частиц на скатные пластины 12. При вибрации скатных пластин 12 электромагнитами 14, твердые частицы проходят через кассету 4. В кассете 6 расположены CMOS - матрица 10 и источники когерентного излучения 11 с линзами 9. Далее твердые частицы проходят кассету 6 и оседают на аналитическом фильтре 5.
Работа устройства в дискретном режиме.
Алгоритм оценки состояния воздушной среды в виде цифрового программного кода находится в памяти одноплатного компьютера. Например, оценка состояния атмосферного воздуха может осуществляться в заданное (необходимое/требуемое/регламентное) время. Через устройство прокачивается определенный объем воздуха, например до засорения аналитического фильтра, либо прокачан определенный объем воздуха.
В случае если в процессе оценки состояния воздушной среды зафиксировано отклонение предельно-допустимой концентрации твердых частиц, одноплатный компьютер транслирует удаленному пользователю предупреждение о неблагополучной санитарной ситуации.
Работа устройства в непрерывном режиме. В этом случае одноплатный компьютер подает управляющий сигнал на запуск шагового электродвигателя 13 в непрерывном режиме. При этом алгоритм оценки воздушной среды аналогичен дискретному режиму.
Заявителям неизвестны технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать заявленное решение обладающим критерию «новизна».