УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВ И ПЫЛИ В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения раздельного содержания газовой и пылевой компонент в аэрозольных облаках и запыленной атмосфере, где в качестве пылевой компоненты также могут выступать различные аэрозоли, капли жидкости или различные частицы (пыль, дым, туман) в воздухе. Также предлагаемое устройство может быть использовано в области экологии для мониторинга окружающей среды, контроля загазованности и запыленности воздушных сред и потоков, в частности для контроля уровня содержания различных вредных газов и аэрозолей (пыль, дым, туман) в воздухе, для измерений и исследований в области физики аэрозолей и метеорологии, при изучении образования и эволюции аэрозольных облаков.
Известны различные методы и устройства для определения в реальном масштабе времени запыленности атмосферы и содержания различных примесей в воздухе, например, ионизационные, оптические и емкостные датчики, описанные в книге: Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю., Технологические измерения и приборы, М., Высш. шк., 1989. Недостатками этих устройств являются сложная и дорогая конструкция, ограниченный диапазон измеряемых концентраций аэрозолей, сложные процедуры калибровки и проведения анализов и вследствие этого ограниченность применения. В частности, принцип работы емкостных датчиков основан на диэлькометрическом методе: диэлектрическая проницаемость смеси, заполняющей емкостный датчик, монотонно (в первом приближении - линейно) возрастает с увеличением концентрации детектируемой примеси, и соответственно растет емкость конденсатора. Такие емкостные датчики успешно применяются для измерения влажности жидких топлив. Измерения различных примесей в атмосфере подобным методом встречается с большими трудностями, т.к. чувствительность воздушного конденсатора к изменению содержания примесей в воздухе очень низка из-за малых изменений емкости. Например, для воды, которая обладает большой статической диэлектрической проницаемостью ~80, при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 100% его диэлектрическая проницаемость (при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа) меняется в пределах от 1,00058 до 1,00064. Другие возможные примеси в атмосфере обладают, как правило, еще на порядок меньшими значениями диэлектрической проницаемости, чем вода.
Наиболее близким по принципу работы к предлагаемому является устройство для определения влажности газа, выбранное за прототип и описанное в статье "Емкостной первичный преобразователь влажности газа", Восточно-европейский журнал передовых технологий, 1/10, 49, 2011.
Емкостной первичный преобразователь влажности газа состоит из двух систем пластинчатых электродов с нанесенным шелковым покрытием, закрепленных в измерительной камере и с помощью диэлектрических перемычек жестко закрепленных на внутренней поверхности двух диэлектрических колец, расположенных на разных концах системы электродов. Электроды емкостного преобразователя соединены с регистрирующей аппаратурой. В упомянутом устройстве поток влажного газа проходит через систему электродов, покрытых слоем шелковой изоляции, которая играет роль сорбента паров воды для увеличения чувствительности к влажности. Контролируемый газ во время движения проникает в микропоры диэлектрического сорбента из шелка. При изменении влажности газа происходит изменение равновесной влажности шелка, который является хорошим сорбентом влаги, а значит и его диэлектрической проницаемости. Изменение диэлектрической проницаемости шелка вызывает пропорциональное изменение емкости системы электродов, которое уже измеряется прибором. Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем:
а) устройство не позволяет измерять концентрацию пылевой компоненты в воздухе;
б) устройство не позволяет измерять содержание других газовых примесей в воздухе, кроме влажности;
в) необходимость измерять малые изменения емкости усложняет процедуру проведения анализов, требует их усреднения, устранения шумов и помех электрического сигнала от емкостного датчика.
г) необходимость установления равновесной влажности шелка требует значительного времени для проведения измерений.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является одновременное определение содержания примесных газов и пыли в атмосфере, где в качестве пылевой компоненты могут выступать различные аэрозоли, капли жидкости или частицы веществ, которые могут обладать низкой диэлектрической проницаемостью, а в качестве газовой компоненты - примесный газ или пар, упрощение и уменьшение времени измерения содержания этих компонент.
Технический результат заключается в возможности измерения содержания широкого спектра примесей в атмосфере, в том числе и их малых концентраций.
Для достижения технического результата предложено устройство для измерения содержания газов и пыли в атмосфере, содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, электроды выполнены газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, 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.
При этом:
- на выходе из газовой камеры может быть размещен побудитель расхода,
- газочувствительный сенсор может быть выполнен на основе оптического или химического сенсоров.
На фигуре приведено схематическое изображение предложенного устройства в случае, когда скорость внешнего потока воздуха равна нулю и для прокачки его установлен побудитель расхода. Емкостная ячейка образована двумя электродами - один электрод в виде металлической катушки 1 и второй электрод в виде газопроницаемой металлической сетки 2, навернутой на катушку. Между этими электродами расположен слой фильтрующего материала 3. Внутри металлической катушки 1 расположена полая газовая камера, в которую помещен газочувствительный сенсор 4. Электрод в виде металлической катушки 1 содержит отверстия для прохода отфильтрованного воздуха с примесью детектируемого газа или пара в газовую камеру. Благодаря такой конструкции, все электрическое поле между электродами сосредоточено внутри емкостной ячейки, что обеспечивает ее хорошую помехозащищенность и низкий уровень шумов емкостной ячейки.
В случае если скорость внешнего потока равна нулю, то газовая камера с расположенным в ней газочувствительным сенсором 4 соединена с побудителем расхода 5, например, насосом, для принудительной прокачки газа через устройство.
Электрический сигнал емкостной ячейки измеряют с помощью электронного блока 6, соединенного с электродом в виде металлической катушки Т и вторым газопроницаемым электродом в виде металлической сетки 2, а сигнал газочувствительного сенсора - с помощью электронного блока 7.
Конструкция устройства позволяет одновременно детектировать пылевую и газовую компоненты в атмосфере с помощью емкостной ячейки и газочувствительного сенсора, соответственно. Пылевая компонента детектируется емкостной ячейкой, между двумя электродами которой размещен слой фильтрующего материала, а концентрация пара или газа детектируется газочувствительным оптическим или химическим сенсором, в качестве которых могут быть использованы, например, известные оптические датчики типа МИП ООО «Оптосенс» г. С-Петербург. Емкость ячейки измеряют с помощью электронного блока регистрации.
Устройство работает следующим образом. Устройство помещается в поток воздуха с известной скоростью. Если поток отсутствует, то используется прокачка с помощью встроенного побудителя расхода. При прохождении потока через емкостную ячейку пылевая компонента осаждается на фильтре 3, выполненном, например, из листа стандартного фильтрующего материала и размещенном между электродами емкостной ячейки, а отфильтрованный газ (пар) проходит далее в газовую камеру с расположенным в ней газочувствительным сенсором 4, который измеряет его концентрацию в контролируемом газе-носителе (воздухе). Осажденные в течение времени работы на фильтре 3 частицы пыли или капли жидкости увеличивают диэлектрическую проницаемость зазора между электродами емкостной ячейки и, соответственно, емкость ячейки увеличивается во времени в зависимости от общего количества аэрозоля, осажденного на фильтре.
В первом приближении для простоты можно считать, что при малых количествах осажденной на фильтре пылевой компоненты изменение емкости ячейки со временем C(t) пропорционально объему V(t), осажденной на фильтре пылевой компоненты
C(t)=aV(t).
Для нахождения концентрации пылевой компоненты в атмосфере X(t) вычисляется производная по времени от емкости ячейки C(t) и делится на общий расход воздушного потока Q, который налетает на емкостную ячейку или который прокачивает побудитель расхода через фильтр емкостной ячейки
.
а
Расход Q определяется техническими параметрами использованного побудителя расхода или известной скоростью внешнего потока, в который помещено устройство. Калибровочный коэффициент «» емкостной ячейки определяется экспериментально путем калибровки емкостной ячейки для конкретного типа пылевой компоненты. Изменение емкости ячейки, пропорциальное количеству осажденной на фильтре пылевой компоненты, измеряют в зависимости от времени с помощью электронного блока 7, в качестве которого может быть использована стандартная аппаратура, например, RLC-метр. Путем дифференцирования временной зависимости величины емкости по времени согласно уравнению (1) с учетом известной скорости потока и коэффициента калибровки емкостной ячейки определяют концентрацию пылевой компоненты в атмосфере в зависимости от времени.
Таким образом, с помощью данного устройства можно измерять одновременно общее количество пылевой компоненты, осажденной на фильтре за время работы, ее концентрацию и концентрацию детектируемого газа (пара) в атмосфере в зависимости от времени. За счет необходимой скорости потока при его прохождении перпендикулярно газопроницаемым электродам емкостной ячейки и малого расстояния между электродами устройство обеспечивает измерение содержания пылевой компоненты с временным разрешением до 10 мс. Из нескольких подобных устройств можно организовать многоканальную измерительную сеть с дистанционным сбором данных на компьютер. Устройства в подобной разветвленной сети, расположенные в разных местах, могут синхронизировать измеренные данные по времени и пространственным координатам с использованием системы ГЛОНАСС/GPS.