Способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, и система для его осуществления
Изобретение относится к технике пробоотбора и контроля содержания механических примесей в воздухе и газовых средах и может найти применение в космической, газовой, атомной, химической и других отраслях промышленности. В способе отбирают газ из магистрального трубопровода при равной линейной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда. Подводят газ через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку. На входе в патрубок осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока. После отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор. Газ для анализатора и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу. Термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува. Затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу. Система для осуществления способа содержит зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию. Система снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера. На одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой. На остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией. Изобретение обеспечивает представительный пробоотбор, точность и надежность в эксплуатации. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике пробоотбора и контроля содержания механических примесей в воздухе и газовых средах и может быть использовано для непрерывного текущего контроля - мониторинга чистоты применяемых в ракетно-космической технике газов, транспортируемых по магистральным трубопроводам для термостатирования отсеков ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, а также в газовой, атомной, химической и в других отраслях промышленности.Проведение такого контроля чистоты газовых сред в ракетно-космической технике предусматривается в целях обеспечения надежного и безотказного функционирования бортового оборудования ракет-носителей и космических аппаратов, в частности оптических и чувствительных элементов приборов, панелей солнечных батарей и электронных блоков, работающих в открытом космосе.Требования к промышленной чистоте газов, газообразных сред и воздуха по содержанию и контролю в них, по дисперсному составу и массовой концентрации механических частиц установлены стандартами ГОСТ Р 50555-93 “Классы чистоты газов”, ГОСТ Р 50766-95 “Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации”. Федеральный стандарт США “Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам в чистовых помещениях и чистовых зонах” FED-STD-209E, 1992 г. и др.Однако отсутствие в нормативно-технической документации рекомендаций по применению средств и систем мониторинга чистоты газов с требуемыми технико-эксплуатационными характеристиками для широкого промышленного использования подтверждает особую актуальность данного направления разработок.Известен способ отбора газов, заключающийся в отводе газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к анализному устройству, в качестве которого используют, например, аналитический фильтр, осадительную колонку, фотоэлектрический счетчик (авторское свидетельство СССР №180411, кл. G 01 N 1/22, 1963).Однако, так как эффективность работы анализных устройств обеспечивается лишь при малых скоростях анализируемого газа, при этом способе и соответствующих ему устройствах не обеспечивается равенство скоростей течения дисперсной среды в отборной трубке и в основном потоке и, следовательно, не обеспечиваются условия изокинетического отбора проб. Кроме того, при малых скоростях анализируемого газа происходит осаждение примесей в отборной трубке. Все это в значительной мере ухудшает представительность пробоотбора и снижает точность анализа указанным способом.Известен также способ отбора газа, включающий подвод газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к анализатору и в байпасную линию, причем в процессе пробоотбора расход газа регулируют таким образом, чтобы линейные скорости в отборной трубке и в магистральном трубопроводе были равны между собой (ГОСТ 3022-70).С помощью этого способа можно достичь более высокой точности анализа газов по сравнению с другими известными способами.Способ осуществляют устройством, включающим зонд, отборную трубку, регулирующие вентили и анализатор.Недостатком этого способа и соответствующего ему устройства является невозможность получения изокинетического режима движения дисперсной среды в анализной и байпасной линиях. При нарушении изокинетичности концентрация отобранных частиц не будет равна концентрации дисперсной среды в потоке, поэтому анализируемая проба газа не будет представительной. При неизокинетическом отборе пробы имеют место следующие случаи: линейная скорость газа на входе в анализное устройство меньше линейной скорости газа в отборной трубке, линейная скорость газа на входе в анализное устройство больше линейной скорости газа в отборной трубке. В первом случае дисперсная среда отстаивается перед входом анализного устройства и в результате имеет место занижение концентрации частиц в пробе. Во втором случае имеет место завышение концентрации частиц по отношению к концентрации частиц в потоке газа.Известен способ отбора проб газов и устройство для его осуществления по патенту СССР №819613, кл. G 01 N 1/22, 1978 г., в котором повышение представительности пробы достигается тем, что газ подводят в байпасную линию и на вход в анализатор при равной линейной скорости. Устройство включает зонд, отборную трубку, регулирующую арматуру. Отборная трубка на выходе снабжена конической камерой с установленным в ней коаксиально с возможностью перемещения пробозаборным патрубком, соединенным с анализатором.Для обеспечения изокинетических условий отбора пробы обеспечивают равенство линейной скорости газа на входе анализного устройства и линейной скорости газа, отводимого в байпасную линию, при котором не будет искривлений линий тока.С учетом заданного постоянного расхода газа через анализатор и изменяемой в широких пределах линейной скорости газа в отборной трубке в зависимости от линейной скорости газа в магистральном трубопроводе уравнивание скоростей достигают изменением поперечного сечения выходного участка отборной трубки.Система отбора пробы газа на анализ по данному способу показана в кн.: Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. - М.: Химия, 1989. - 160 с., на с.27-29, 141, 142.Способ отбора проб газов и устройство для его осуществления по патенту № 819613 позволяют отбирать достоверные пробы газов из технологических трубопроводов, находящихся под давлением, и тем самым существенно повысить точность контроля чистоты газов.К недостаткам этого способа и соответствующего ему устройства относится непроизводительный расход газа через байпасную линию, который во много раз превышает расход газа на анализ.Кроме того, поскольку анализатор расположен непосредственно возле пробоотборного устройства, которое в свою очередь размещено в зоне технологического трубопровода, анализатор подвергается воздействию окружающей среды (температура, влажность, осадки, ветровые нагрузки), что отрицательно влияет на точность измерения.Известно также устройство для отбора проб газов высокого давления по патенту РФ №2152017, кл. G 01 N 1/22, 1998 г., содержащее зонд, пробоотборную трубку, регулирующую арматуру, коническую камеру и анализатор пробы, при этом коническая камера выполнена открытой в основании (принцип работы и конструкция устройства основаны на способе отбора пробы газа и устройстве для его осуществления по патенту №819613).Устройство по патенту №2152017 обеспечивает при эксплуатации в составе системы термостатирования воздухом высокого давления ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции требуемую работоспособность.К недостаткам данного устройства также относится непроизводительный расход газа через байпасную линию и воздействие окружающей среды на анализатор при использовании устройства в полевых условиях, что снижает его технико-эксплуатационные характеристики - экономичность, представительность пробоотбора, точность, надежность.Кроме того, известны способ и устройство для отбора проб газов по патенту РФ №2158421, кл. G 01 N 1/22, 1999 г., содержащее зонд, пробоотборную трубку, коническую камеру с открытым основанием, пробозаборный патрубок и анализатор пробы (принцип работы и конструкция устройства также основаны на способе отбора пробы и устройстве для его осуществления по патенту №819613). Способ и устройство для отбора пробы газов по патенту №2158421 реализованы для мониторинга чистоты термостатирующего воздуха низкого давления, наиболее близки к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату и выбраны в качестве прототипа.К недостаткам данного способа и устройства также относится непроизводительный расход газа через байпасную линию. Кроме того, в случае возникновения сильных ветровых потоков в атмосфере возможен наддув открытой части конической камеры и нарушение стационарности течения газовой среды, что приводит к резкому снижению изокинетичности пробоотбора и его представительности, а также точности контроля. Также необходимы защита анализатора от воздействия окружающей среды и улучшение технико-эксплуатационных характеристик.Задачей данного изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик, а именно повышение экономичности, представительности пробоотбора, точности и надежности контроля, а также удобства эксплуатации.Требуемый технический результат достигается тем, что в способе мониторинга аэрозольного загрязнения газов, включающем отбор газов из магистрального трубопровода при равной линейной скорости в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, подвод газа через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока, после отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу. Кроме того, система для его осуществления, содержащая зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию, снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера, на одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой, а на остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией.Авторам неизвестны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения.Сущность изобретения поясняется чертежами, гдена фиг.1 - распределение потоков вблизи отверстия пробозаборного патрубка в случаях, когда:а - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок меньше линейной скорости газа в отборной трубке;б - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок больше линейной скорости газа в отборной трубке;в - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок равна линейной скорости газа в отборной трубке, а также линейной скорости газа, отводимой в байпасную линию;на фиг.2 - схема и устройство отбора газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к пробоотборному устройству, анализатору и термоконтейнеру;на фиг.3 - схема соединения и конструкция устройства отбора пробы, анализатора и термоконтейнера.Способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, осуществляют следующим образом.Производят отбор газа из магистрального трубопровода при равной скорости двухфазного потока газа с твердыми частицами в сечении отбора в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, при этом газ подводят через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока (фиг.1). После отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу.Для осуществления данного способа мониторинга аэрозольного загрязнения газов предлагается система мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых по магистральному трубопроводу 1 (фиг.2), подключенному через бортовое разъемное соединение 2, для обдува и термостатирования ракет-носителей 3 и космических аппаратов 4, которая содержит устройство отбора и анализа проб газа, установленное на башне обслуживания ракеты-носителя 3 и состоящее из зонда 5, отборной трубки 6, запорного элемента - прямоточного шарового затвора 7 (фиг.3), конической камеры 8 с малым углом конусности (15), открытым основанием и коаксиально размещенного в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборного патрубка 9, анализатора 10 и байпасной линии 11.Входное отверстие зонда 5 обращено навстречу набегающему потоку газа в магистральном трубопроводе 1.Система мониторинга снабжена термоконтейнером 12, при этом анализатор 10 размещен внутри термоконтейнера 12 и соединен с пробозаборным патрубком 9 гибким трубопроводом 13, на верхней горизонтальной стенке 14 термоконтейнера выполнено отверстие 15 и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера 8, на одной из боковых стенок 16 выполнен технологический люк с плотно прилегающей к термоконтейнеру крышкой 17, на которой имеется смотровое устройство 18. На остальных стенках выполнены газосбросные отверстия 19, снабженные защитными кожухами 20 с перфорацией 21, представляющей пластины с микроотверстиями или фильтры. Анализатор 10 соединен дистанционно кабелем связи 22 с персональной электронно-вычислительной машиной 23.Предлагаемый способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов осуществляют данной системой следующим образом. При открытом шаровом затворе 7 термостатирующий газ отбирают при равной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе 1 - VГ и во входном отверстии зонда 5-Vпр, при этом газ подводят через зонд 5 и отборную трубку 6, шаровой затвор 7 в коническую камеру 8 к пробозаборному патрубку 9, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и байпасную линию при равных линейных скоростях потока Va=Vпр=Vб (фиг.1в). После отборной трубки в конической камере происходит расширение газового потока, снижение скорости Vпр и давления газа Рпр до заданных значений на входе в пробозаборный патрубок 9 и анализатор 10.В зависимости от режима - производительности подачи газа для термостатирования и, соответственно, линейной скорости газа в магистральном трубопроводе Vг изменяется и линейная скорость газа, отбираемого через зонд и отборную трубку Vпр. Затем, принимая во внимание заданный расход газа через анализатор (Va=const) и расход в байпасной линии, при котором обеспечивается равенство Vпр=Vг, перемещают пробозаборный патрубок 9 в осевом направлении до такого поперечного сечения конической камеры 8, при котором соотношение площадей их проходных сечений Sa/Sб обеспечивает равенство линейных скоростей на вход анализатора и в байпасной линии Vа=Vб. Величину перемещения пробозаборного патрубка L относительно конической камеры определяют по номограмме, графику или таблице и контролируют по специальной шкале, нанесенной непосредственно на пробозаборном патрубке.Чем меньше скорость потока или расход газа в магистральном трубопроводе 1, тем выше должен быть установлен пробозаборный патрубок 9 в конической камере 8, и наоборот, чем больше скорость или расход газа, тем ниже. Благодаря тому, что пробозаборный патрубок 9 выполнен с возможностью осевого перемещения в конической камере 8, обеспечивается возможность контроля содержания дисперсных частиц в широких диапазонах расходов и скоростей газов в магистральном трубопроводе 1.Газ, выходящий из пробоотборного устройства в байпасную линию 11, поступает через открытое основание конической камеры 8 и отверстие 15 в полость термоконтейнера 12, обдувает расположенный внутри него анализатор 10 и термостатирует его. Отработанный газ через газосбросные отверстия 19 термоконтейнера 12 и защитные кожухи 20 с перфорацией 21 сбрасывается в атмосферу.Система мониторинга аэрозольного загрязнения предназначена преимущественно для контроля чистоты воздуха в воздушных системах термостатирования (см., например, воздушные системы термостатирования (ВСОТР) в кн. Космодром. Под общ. ред. А.П.Вольского. М.: Воениздат, 1977. - 309 с., с.202-213). При контроле других газовых сред отработанный газ после выхода через газосбросные отверстия 19 термоконтейнера 12 может отводиться для повторного использования в замкнутом контуре.Газ, поступающий через пробозаборный патрубок 9 и гибкий трубопровод 13 на вход анализатора 10 - оптико-электронного аэрозольного счетчика ОЭАС-05, прокачивается с заданным расходом через его измерительную камеру. При этом дисперсные аэрозольные частицы пересекают освещенный световым лучом измерительный объем. Световые импульсы, отраженные от дисперсных частиц, улавливаются фотоприемным устройством и преобразуются в электрические импульсы, амплитуды которых пропорциональны размерам частиц, одновременно производится счет импульсов - количества частиц по требуемым размерам и их суммарное количество.Информация по измеряемой счетной концентрации дисперсных частиц в процессе термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов при подготовке их к пуску непрерывно отображается на цифровом табло анализатора 10, а также одновременно передается дистанционно по кабелю связи 22 на персональную электронно-вычислительную машину 23, расположенную в пункте дистанционного контроля и управления, где обрабатывается программными средствами, отображается на экране монитора 24 и документируется.С использованием ряда пробоотборных устройств и анализаторов, размещенных в термоконтейнерах, система мониторинга обеспечивает непрерывный одновременный многоканальный дистанционный контроль чистоты термостатирующих газов, подаваемых по различным магистральным трубопроводам. При этом измеряются и регистрируются аэрозольные частицы в термостатирующих газах с размерамиот 0,3 мкм и более;от 0,5 мкм и более;от 5,0 мкм и болеев диапазоне счетной концентрации от 1 до 3,5104 частиц/дм3.При работе в дистанционном режиме обеспечивается:- отображение изменений счетной концентрации частиц на экране монитора за время измерения в реальном масштабе времени;- вывод на экран монитора таблиц и графиков значений счетной концентрации частиц по поддиапазонам их размеров;- запоминание результатов измерений на магнитном диске;- вывод результатов измерений на печать;- дистанционное управление работой оптико-электронного аэрозольного счетчика 10.Предложенная в изобретении совокупность признаков позволяет получить существенный положительный эффект - улучшение технико-эксплуатационных характеристик, а именно повышение экономичности, представительности пробоотбора, точности и надежности контроля, а также удобства эксплуатации.Изобретение использовано в полном объеме при создании системы мониторинга параметров воздуха СМIIВ39, подаваемого для обеспечения температурного режима ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции космодрома.Формула изобретения
1. Способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, включающий отбор газа из магистрального трубопровода при равной линейной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, подвод газа через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока, отличающийся тем, что после отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газы сбрасывают в атмосферу.2. Система мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, содержащая зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию, отличающаяся тем, что она снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера, на одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой, а на остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3