СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ВОЗДУХА С БОРТА САМОЛЕТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DRAWING AIR SAMPLES FROM AIRCRAFT BOARD FOR DETERMINING AEROSOL AND/OR GASEOUS IMPURITIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контролю загрязняющих атмосферу аэрозолей и газов, а именно к методам и устройствам отбора проб из атмосферного воздуха, обеспечивающих изокинетические условия отбора.
Известен автономный изокинетический пробоотборник аэрозолей в широком диапазоне скоростей ветра, достоинством которого является отсутствие побудителя расхода. [Огородников Б.И., Скитович В.И., Хабаров В.И., Шарапов А.Г. Характеристики автономного изокинетического пробоотборника аэрозолей в широком диапазоне скоростей ветра. // Оптика атмосферы и океана. 1998, т. 11, №1, с. 75-78].
В прибор воздух попадает за счет скоростного напора ветра и разрежения, создаваемого двухлопастным пропеллером (ветроколесом), вращающимся под воздействием ветрового потока. Условие изокинетичности соблюдается с помощью сменных насадков, что в условиях часто меняющихся скоростей ветра требует непрерывного контроля скорости ветра и установки насадка, соответствующего данной скорости ветра. При штиле пробоотборник не работает. Из-за конструктивных особенностей устройства использование его на самолете невозможно
Известен изокинетический пробоотборник аэрозолей [SU 930048 А1, 1982], а также [SU 1727025 А1, 1992], которые включают фильтр и соединенный с ним побудитель расхода с приводом от ветрового колеса с помощью механической передачи. За счет конструктивного решения побудителя расхода устройство имеет возможность самоориентироваться навстречу набегающему потоку.
Известен автоматический изокинетический пробоотборник аэрозолей [RU 2349893 C1, 2009], обеспечивающий изокинетические условия отбора проб атмосферных аэрозолей, который содержит воздуховод и средства для управления расходом воздуха.
Известен изокинетический пробоотборник аэрозолей [US 4159635 (А1) - 1979-07-03], в котором включение пробоотборника происходит при определенной, заранее установленной для изокинетического отбора проб, скорости ветра.
Известен изокинетический пробоотборник аэрозолей [US 6584865 (В1) - 2003-07-01], в котором реализуется изокинетический метод отбора проб аэрозоля. Новым является автоматическое согласование скорости потока на входе в пробоотборник со скоростью ветра и согласование направления отбора с направлением ветра.
Технические решения устройств, раскрытых в вышеперечисленных аналогах, из-за их конструктивных особенностей невозможно использовать на самолете.
Известен изокинетический пробоотборник аэрозолей [US 3707869 А-1973-01-02]. Устройство предназначено для установки на легких негерметичных самолетах, имеющих скорость 150-200 км/час. К недостаткам пробоотборника можно отнести определенные трудности с выдвижением пробоотборника в воздушный поток и последующую уборку его в салон самолета. На самолетах с герметичным фюзеляжем и более высокими скоростями полета эксплуатация данного пробоотборника невозможна.
Известно бортовое устройство, раскрытое в [FR 2591338 (А1) - 1987-06-12], для репрезентативной выборки частиц в атмосферном воздухе, в частности в загрязненной атмосфере. Наличие следящего устройства для выполнения условия изокинетичности, основой которого служит трубка Пито для измерения скорости воздушного потока и насосов для прокачки воздуха, производительность которых регулируется этим устройством, являются несомненным достоинством изобретения.
Однако наличие следящего устройства и насосов сильно усложняют систему в целом, требуя для работы отдельные источники питания для функционирования насосов и электрической (электронной) части системы.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание способа и устройства, позволяющего осуществить с борта самолета изокинетический отбор проб воздуха для определения аэрозольных примесей и дополнительно газообразных примесей.
Дополнительный технический результат - многофункциональность устройства, в котором каждый аэрозольный воздуховод работает на отдельный фильтр на определенную группу химических элементов, что позволяет повысить точность определения массовой концентрации химических элементов, а каждый газоанализатор работает по-своему отдельному воздуховодному каналу.
Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый способ отбора проб воздуха с борта самолета для определения аэрозольных примесей и/или газообразных примесей, включает отбор проб воздуха с соблюдением условия изокинетичности.
Новым является то, что для соблюдения условия изокинетичности пробоотборник воздуха с системой воздуховодов, включающей по меньшей мере,два воздухозаборных патрубка, выполненных из труб различного диаметра, устанавливают на внешней стороне фюзеляжа самолета в зоне, где отсутствует возмущение воздушного потока, создаваемое элементами конструкции самолета, при этом входные концы воздухозаборных патрубков системы воздуховодов упомянутого пробоотборника выносят в зону свободную от возмущения, создаваемую элементами конструкции пробоотборника и направляют навстречу воздушному потоку, а выходные концы воздухозаборных патрубков системы воздуховодов выводят в салон самолета и подключают к соответствующим потребителям проб воздуха.
При этом входные концы воздухозаборных патрубков, предназначенных для определения аэрозольных примесей, снабжают насадками, диаметр которых выбирают в зависимости от воздушной скорости полета самолета.
Кроме того, потребители проб воздуха устанавливают в салоне самолета в непосредственной близости от выходных концов воздухозаборных патрубков пробоотборника.
При этом анализ проб воздуха на присутствие газообразных примесей, счетной концентрации аэрозоля, спектра размеров аэрозольных частиц проводят в полете в режиме реального времени.
Кроме того, отбор проб аэрозольных примесей производят методом осаждения аэрозольных частиц по меньшей мере на один фильтр.
Поставленная задача решается также тем, что, как и известное предлагаемое устройство для отбора проб воздуха с борта самолета для определения аэрозольных и/или газообразных примесей, представляет собой изокинетический пробоотборник аэрозоля атмосферного воздуха с борта самолета, который содержит систему воздуховодов для отбора проб воздуха, и побудитель расхода воздуха.
Новым является то, что система воздуховодов включает входные воздухозаборные патрубки, представляющие собой по меньшей мере две трубы различного диаметра, согнутые под углом 90 градусов, и по меньшей мере два вытяжных патрубка, а в качестве побудителя расхода воздуха использована труба Вентури, при этом выходные концы вытяжных патрубков соединяются с трубой Вентури.
Кроме того, система воздуховодов может включать по меньшей мере один входной воздухозаборный патрубок для отбора проб воздуха для анализа аэрозольных примесей и по меньшей мере по одному входному воздухозаборному патрубку для отбора проб воздуха для определения счетной концентрации аэрозоля, для определения спектра размеров аэрозольных частиц и для определения малых газовых составляющих атмосферного воздуха, и, по меньшей мере, два вытяжных патрубка.
Система упомянутых воздухозаборных и вытяжных патрубков и труба Вентури объединены в моноблок с помощью рамы, на которой они установлены, при этом нижнее основание рамы служит для крепления моноблока к обшивке фюзеляжа самолета, а верхнее основание рамы служит ложементом, к которому крепится труба Вентури.
Моноблок для уменьшения сопротивления набегающему потоку воздуха закрыт аэродинамическим обтекателем, а входные концы воздухозаборных патрубков вынесены за пределы аэродинамического обтекателя.
Кроме того, входные концы воздухозаборных патрубков, предназначенные для отбора аэрозольных частиц с последующим осаждением их на аэрозольном фильтре снабжены изокинетическими насадками.
Труба Вентури состоит из входного конуса (конфузора), горловины и выходного конуса (диффузора), при этом горловина сообщается с полостью корпуса, в котором расположена труба Вентури посредством отверстий, выполненных в горловине трубы Вентури.
Входные концы вытяжных патрубков соединяются с выходным коллектором счетчиков объемного расхода воздуха, проходящего через фильтры и выходами газоанализаторов.
Выходные концы вытяжных патрубков соединяются с трубой Вентури.
В качестве побудителя расхода воздуха в данном изобретении предлагается использовать модифицированную трубу Вентури, выполняющую функции инжекторного насоса, в основе принципа действия которой лежит эффект Вентури - явление уменьшения давления в потоке жидкости или газа, когда этот поток проходит через суженный участок трубы.
При отборе проб аэрозоля из свободной атмосферы или из трубопроводов с целью определения массовой концентрации аэрозоля, его химического или элементно-ионного состава, счетной концентрации аэрозольных частиц, а также определения спектра размеров аэрозольных частиц важно соблюдение условия изокинетичности пробоотбора, которое заключается в следующем: для корректного отбора проб аэрозоля из движущегося потока воздуха в атмосфере или в трубопроводах сечение входного отверстия воздуховода должно быть перпендикулярно направлению потока и скорость воздуха во входном сечении должна равняться скорости потока вне его.
В реальных условиях отбора проб с самолета первый пункт условия изокинетичности выполняется почти всегда. Так, при прямолинейном полете входное сечение воздуховода перпендикулярно потоку, что достигается соответствующей установкой моноблока на борт самолета. Ось входного отверстия параллельна продольной оси самолета. При развороте самолета этот пункт также выполняется, потому что дуга траектории, по которой летит самолет, имеет малую кривизну по сравнению с геометрическими размерами пробоотборника и может считаться прямолинейной.
Второй пункт условия о равенстве скоростей во входном сечении проботборного устройства и вне его предлагается реализовать автоматически посредством использования в конструкции пробоотборника в качестве побудителя расхода воздуха трубы Вентури.
Предложенное в настоящем изобретении разделение воздухозаборных каналов позволяет производить изокинетический отбор проб воздуха как для отбора проб для анализа аэрозоля на фильтры, определения его счетной концентрации и определения спектра размеров аэрозольных частиц, так и отбор проб воздуха для определения объемной концентрации малых газовых составляющих атмосферного воздуха.
В дальнейшем изобретение поясняется графическими материалами и примером реализации способа.
На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого устройства (многоканального самолетного изокинетического пробоотборника).
На фиг. 2. Приведена конструкция побудителя расхода (модифицированной трубы Вентури).
На фиг. 3 приведено схематичное описание работы предлагаемого устройства для отбора проб воздуха с последующим осаждением на фильтры, иллюстрирующее пример выполнения способа.
На фиг. 4 приведено схематичное описание работы предлагаемого устройства для определения счетной концентрации аэрозоля, иллюстрирующее пример выполнения способа.
Предлагаемое в настоящем изобретении устройство представляет собой моноблок, устанавливаемый на внешней стороне фюзеляжа самолета в зоне, где отсутствует возмущение воздушного потока элементами конструкции самолета, и представляет собой неразъемную конструкцию, устройство которой показано на фиг. 1.
Основой моноблока является сварная рама, состоящая из передней стойки 1, задней стойки 2, нижнего основания 3, с помощью которого пробоотборник крепится к обшивке фюзеляжа самолета 4 и верхнего основания 5, соединяющего переднюю и заднюю стойки и служащего ложементом, к которому крепится корпус 6, внутри которого устанавливается труба Вентури 7. Схематическое изображение трубы Вентури, применяемой в данном пробоотборнике в качестве побудителя расхода, представлено на фиг. 2.
Внутри рамы закреплены семь воздуховодов 8 и 9, представляющих собой трубы из нержавеющей стали, согнутые под углом 90 градусов навстречу набегающему потоку воздуха. Внутренняя поверхность труб отполирована, чтобы исключить осаждение аэрозольных частиц на внутренней поверхности труб. Воздуховоды 8 (трубы большего диаметра) предназначены для отбора аэрозольных частиц с последующим осаждением их на аэрозольном фильтре. Входные отверстия этих воздуховодов снабжены изокинетическими насадками 10, диаметр входных концов которых рассчитывают в зависимости от воздушной скорости полета самолета для соблюдения условия изокинетичности. Воздуховоды 9 (трубы меньшего диаметра) предназначены для исследования воздуха на присутствие газообразных примесей.
Выходные концы воздуховодов 8 и 9 и входные концы вытяжных воздуховодов 11 и 12 выводятся в салон самолета, где посредством эластичных труб из химически неактивного материала соединяются с потребителями воздуха (фильтродержателями и газоанализаторами).
В состав побудителя расхода воздуха (модифицированной трубы Вентури) (фиг. 2) входит корпус 6, внутри которого закреплена труба Вентури 7, которые образуют полость низкого давления 13, труба Вентури 7 состоит из входного конуса (конфузора) 14, горловины 15 и выходного конуса (диффузора) 16. При прохождении набегающего потока воздуха через суживающийся участок трубы (горловину 16) создается пониженное давление в полости 13. Горловина 15 сообщается с полостью 13 посредством десяти отверстий 17.
В салоне самолета входные концы вытяжных патрубков 11 и 12 соединяются с выходным коллектором (не показан) счетчиков объемного расхода воздуха, проходящего через фильтры (не показаны), и выходами газоанализаторов (не показаны) и служат для отвода отработанного воздуха в полость низкого давления 13, образованную корпусом 6 и трубой Вентури 7, откуда через отверстия 17 попадает в горловину трубы Вентури и выбрасывается в атмосферу.
Воздух из вытяжных воздуховодов 11 и 12 под действием пониженного давления выходит в полость 13 и через отверстия 17 попадает в поток воздуха в горловине 15 и через выходной конус (диффузор) 16 выбрасывается в атмосферу.
Отбор проб воздуха с борта самолета для последующего его анализа, как правило, осуществляется при полете самолета с постоянной воздушной скоростью, которая определяется типом самолета и требованиями техники безопасности полета. Для самолета типа Ан-30 такой скоростью является скорость 350 км/час, а для самолета типа Ту-134 - 500 км/час. При полете самолета с постоянной скоростью в трубе Вентури 7, предлагаемого в настоящем изобретении устройства, создается разрежение (понижение статического давления), величина которого остается постоянной. Это разрежение создает поток воздуха во всем пробоотборном тракте (состоящем из входных воздухозаборных патрубков, воздуховодов, подводящих отобранный воздух к потребителям, воздуховодов, отводящих отработанный воздух к входным концам вытяжных патрубков), скорость которого постоянна и зависит от площади входного сечения изокинетического насадка 10 на входных воздуховодах 8. Корректный подбор площади сечения изокинетического насадка 10 позволяет выровнять скорость потока во входном сечении насадка и набегающего потока воздуха вне его. Подбор площади сечения изокинетического насадка включает в себя предварительный расчет площади сечения для конкретной скорости полета самолета и экспериментальную проверку в рабочих условиях. И тем самым выполнено условие изокинетичности при пробоотборе.
Пробы аэрозоля отбирали на фильтры типа АФА-20, на определение счетной концентрации аэрозоля на счетчик аэрозольных частиц Grimm 1.108, на определение спектра размеров аэрозольных частиц на диффузионный спектрометр ДСА, а также определение объемной концентрации малых газовых составляющих проводились на разных высотах в слое атмосферы от 500  до 7000 м с использованием газоанализаторов.
Пример. 1 Процедура отбора проб аэрозоля на фильтры АФА-20 заключается в следующем.
В полете самолета перед процедурой отбора проб воздуха шаровой кран 18 (фиг. 3), служащий для одновременного открытия-закрытия входных и вытяжных воздуховодов, находится в положении "закрыто". В открытые фильтродержатели 19, расположенные в салоне самолета, вставляются кассеты с фильтрами. Тип фильтра выбирается в соответствии с целями и методами последующего анализа. Наилучшие результаты получаются при применении аэрозольных фильтров типа АФА - ХА-20, АФА-ХП-20, АФА - ВП-20, так как они обладают наименьшим сопротивлением воздушному потоку в условиях полета. После установки фильтров фильтродержатели герметически закрываются. Далее отмечаются начальные показания счетчиков объемного расхода 20, которые соединены с фильтродержателями 19. Устройство готово к работе. Шаровой кран 19 открывается, воздух из патрубков 8 под действием пониженного давления в полости 13 проходит через фильтродержатели 19, где происходит осаждение аэрозольных частиц на фильтрах, счетчики объемного расхода 20, попадает в коллектор 21 и по вытяжной трубе 11 попадает в горловину 15 трубы Вентури, откуда выбрасывается в атмосферу.
Пример 2. Процедура определения счетной концентрации аэрозоля.
Схематическое изображение определения счетной концентрации аэрозоля приведено на фиг. 4. Определение счетной концентрации аэрозоля производится с помощью оптического счетчика аэрозолей Grimm 1.108 непрерывно в течение всего полета самолета от взлета до посадки.
Перед взлетом самолета воздушный вход оптического счетчика Grimm 1.108 подключается к воздухозаборному патрубку 9 посредством воздуховода 23. Воздушный выход счетчика подключается к вытяжной трубе 12 через стабилизатор расхода воздуха 24, сглаживающий пульсации скорости воздушного потока в воздуховоде. После включения электропитания счетчика прибор готов к работе. Определение счетной концентрации аэрозоля производится автоматически в непрерывном режиме на протяжении всего полета без участия оператора.
Определение спектра размеров аэрозольных частиц производится диффузионным спектрометром аэрозоля ДСА, определение малых газовых составляющих атмосферного воздуха производится соответствующими газоанализаторами по аналогичной схеме, приведенной на фиг. 4.