Устройство для измерения загрязненности воздуха

 

Изобретение относится к области экологии и предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для непрерывного контроля уровня вредных механических примесей (пыль, дым, туман) в воздухе. В устройство, содержащее зарядную камеру (4) с расположенными в ней электродами (6, 7) и источник высокого напряжения (10), дополнительно введены насос (1) и вторая зарядная камера (5) с расположенными в ней двумя электродами (8, 9) и установленные между одной зарядной камерой (5) и насосом (1) фильтр (2) для задержки примесей и между другой зарядной камерой (4) и насосом (1) - механическая диафрагма (3) Электроды (6, 7, 8, 9) каждой камеры (4, 5) выполнены в виде сеток, причем один из электродов (6, 8) каждой камеры (4, 5) подсоединен к общему источнику (10) высокого напряжения, а другой электрод (7,9) - к одному из двух соответствующих электрических фильтров (11, 12). Один выход каждого из электрических фильтров (11, 12) соединен с общим источником (10) опорного напряжения, а другой выход каждого из электрических фильтров (11, 12) через соответствующий пиковый детектор (13, 14) - с одним из входов блока сравнения и индикации. Устройство повышает точность измерения загрязненности воздуха, уменьшает влияние метеорологических условий и состава примесей на результаты измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области экологии и предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для непрерывного контроля уровня вредных механических примесей (пыль, дым, туман) в воздухе.

Известны различные методы и устройства контроля примесей в воздухе, описанные, например, в книге: Манойлов В.Е., Неделин П.Н., Лукичев А.И. и др. Приборы контроля окружающей среды. - М.: Атомиздат, 1980 г., стр. 147-159, а также в изобретении по авторскому свидетельству СССР N 286345, МКИ G 01 N 15/00, от 10.11.1970. "Способ определения загрязненности и запыленности атмосферы".

В указанных технических решениях в камерах, содержащих электроды и подсоединенные к ним источники электроэнергии, используются различия электрических свойств воздуха и примесей.

Недостатками являются влияние изменений погодных и метеорологических условий на результаты и точность измерений, а также значительное влияние химического состава примесей на измеряемые характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является техническое решение по авторскому свидетельству СССР N 521502, 15.07.1976, МКИ G 01 N 15/00, "Устройство для непрерывного измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля".

В упомянутом устройстве поток исследуемого воздуха пропускают через зарядную камеру, на электроды которой подано высокое напряжение. Частицы пыли, содержащиеся в воздухе, заряжаются в поле коронного импульсного разряда между электродами, и, попадая внутрь измерительного электрода, индуцирует на нем электрический заряд, пропорциональный концентрации пыли в воздухе. Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем.

Чистый воздух (в отсутствие примесей) также ионизируется в коронном импульсном разряде и, попадая внутрь измерительного электрода, индуцирует в нем электрический заряд. Этот заряд измеряется. Его величина накладывается на величину, пропорциональную загрязнению, и выступает в качестве ошибки, снижая точность измерения.

Колебания метеорологических и погодных условий (особенно влажности воздуха) даже при постоянном уровне загрязнения вредными примесями будут приводить к колебаниям уровня индуцируемого заряда. Это вносит дополнительную ошибку в результат измерения.

Различные по химическому составу примеси имеют различный коэффициент диэлектрической проницаемости. Различные коэффициенты диэлектрической проницаемости даже при одинаковой концентрации примесей приведут к различию объемных емкостных свойств газовой среды внутри измерительного электрода, следовательно, и к различию индуцированного электрического заряда. Это также вносит погрешности в измеряемые показатели.

Указанные недостатки в целом снижают точность измерения, особенно при колебании погодных условий.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности измерения загрязненности воздуха, уменьшение влияния метеорологических условий и состава примесей на результаты измерения.

Поставленная задача решена тем, что в устройство, содержащее зарядную камеру с расположенными в ней электродами, и источник высокого напряжения, дополнительно введены насос и вторая зарядная камера с расположенными в ней двумя электродами, и установленные между одной зарядной камерой и насосом фильтр для задержки примесей и между другой зарядной камерой и насосом - механическая диафрагма, электроды каждой камеры выполнены в виде сеток, причем один из электродов каждой камеры подсоединен к общему источнику высокого напряжения, а другой - к одному из двух соответствующих электрических фильтров, один выход каждого из электрических фильтров соединен с общим источником опорного напряжения, а другой выход каждого из электрических фильтров через соответствующий пиковый детектор - с одним из входов блока сравнения и индикации.

Предлагаемое устройство позволяет устранить недостатки прототипа, т.к. уровень электризации чистого воздуха вычитается из уровня суммарной электризации грязного воздуха. По этой же причине изменение электризации воздуха в результате погодных изменений также не влияет, т.к. происходит одновременно в обеих камерах. Поскольку при измерениях используются только различия в геометрических размерах частиц грязи и молекул чистого воздуха, то химический состав загрязнений также не влияет на результаты измерения.

На чертеже представлена схема, поясняющая работу устройства для измерения загрязненности воздуха.

Устройство содержит насос 1, который через фильтр 2 для задержки примесей и механическую диафрагму 3 нагнетает наружный воздух в две одинаковые зарядные камеры 4 и 5, в первую зарядную камеру 4 воздух проходит через механическую диафрагму 3, во вторую зарядную камеру 5 - через фильтр 2 для задержки примеси. Ширина отверстия в механической диафрагме 3 выбирается такой, чтобы ее сопротивление воздушному потоку было таким же, как сопротивление воздушному потоку фильтра 2. Таким образом, через обе идентичные зарядные камеры 4 и 5 протекают одинаковые воздушные потоки, но один из них содержит примеси, а другой свободен от них.

Между электродами 6 и 7 в одной камере и 8 и 9 в другой камере подается постоянное высоковольтное напряжение от источника высокого напряжения 10.

Электроды 6, 7, 8, 9 выполнены в виде мелких сеток, воздушный поток проходит сквозь них. В результате электризации от электродов 6 и 8 и молекулы воздуха, и частицы примесей приобретают электрический заряд. Под действием разности потенциалов между электродами 6, 7, 8, 9 в каждой зарядной камере 4, 5 заряженные частицы движутся в направлении другого электрода 7 и 9. На них присутствует напряжение противоположного знака. Заряженные частицы примесей и молекулы воздуха притягиваются к этим электродам 7, 9, отдают им свой заряд и после нейтрализации удаляются наружу с общим потоком воздуха. Поток заряженных частиц создает электрический ток между электродами 6, 7 и 8, 9. Этот ток от каждой камеры 4, 5 проходит через соответствующий электрический фильтр 11 и 12. Далее постоянная составляющая токов замыкается на источник высоковольтного напряжения 10, а переменная составляющая усиливается и поступает на пиковые детекторы 13 и 14.

На их выходах образуется напряжение, пропорциональное размаху переменного напряжения на входах. Напряжение с выходов пиковых детекторов 13 и 14 подается на входы блока 15 сравнения и индикации. Эти напряжения сравниваются и разница индицируется как величина, пропорциональная загрязненности воздуха.

Принцип измерения основан на следующем. В чистом воздухе электрический ток между электродами создается потоком ионизированных молекул. Заряд каждой из них имеет конечную величину. В момент нейтрализации каждого из этих зарядов на электродах 7, 9 возникают электрические импульсы. Общий ток создается суммой большого числа таких импульсов. Постоянная составляющая этого тока пропорциональна среднему числу импульсов в единицу времени. Переменная величина обусловлена величиной заряда одной молекулы и флуктуациями числа импульсов. Поскольку число молекул велико, то последняя величина пренебрежимо мала. Таким образом, переменная составляющая аналогична дробовому шуму в электровакуумных лампах.

Картина меняется при наличии примесей. Размеры частиц примесей на несколько порядков больше молекул воздуха. После электризации частица переносит значительно больший электрический заряд, чем молекула воздуха. При ее нейтрализации после контакта с электродом 7 в цепи возникает значительно больший по величине импульс тока, чем при нейтрализации молекулы. Поэтому в цепи, соединенной с камерой 4, содержащей грязный воздух (блоки 11 и 13) присутствуют импульсы значительно большего уровня, чем в цепи (блоки 12 и 14) от камеры 5 чистого воздуха.

После отфильтровывания переменной составляющей в фильтрах 11 и 12 она поступает на пиковые детекторы 13 и 14. Амплитуда импульсов на входе детектора 13 значительно больше, и напряжение на его входе пропорционально количеству примесей в воздухе.

В устройстве сравнения 15 сравниваются уровни напряжений, создаваемые в одном случае электризацией воздуха и примесей, а в другом случае - только воздуха. Разница этих уровней индицируется и указывает на уровень загрязненности.

В устройстве удается устранить ошибку, обусловленную влиянием чистого воздуха, поскольку измерения в камере 5 являются эталонными. Кроме этого, значительно ослабляется влияние погоды, так как погодные изменения влияют одинаково на идентичные камеры.

Использование предлагаемого устройства позволяет производить непрерывный точный контроль загрязненности воздуха, тем самым осуществлять эффективный мониторинг окружающей среды.

Формула изобретения

Устройство для измерения загрязненности воздуха, содержащее зарядную камеру с расположенными в ней электродами и источник высокого напряжения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены насос и вторая зарядная камера с расположенными в ней двумя электродами и установленные между одной зарядной камерой и насосом фильтр для задержки примесей и между другой зарядной камерой и насосом механическая диафрагма, электроды каждой камеры выполнены в виде сеток, причем один из электродов каждой камеры подсоединен к общему источнику высокого напряжения, а другой - к одному из двух соответствующих электрических фильтров, один выход каждого из электрических фильтров соединен с общим источником опорного напряжения, а другой выход каждого из электрических фильтров через соответствующий пиковый детектор - с одним из входов блока сравнения и индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1