Способ определения дисперсного состава аэрозоля

Авторы патента:


Способ определения дисперсного состава аэрозоля
Способ определения дисперсного состава аэрозоля
Способ определения дисперсного состава аэрозоля

 


Владельцы патента RU 2540003:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт" (государственный университет) (RU)

Изобретение относится к способам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды аэрозолями, а также для контроля аварийных выбросов. Способ измерения дисперсного состава аэрозольных частиц и их концентрации в воздушной среде осуществляют при использовании криволинейного канала. При движении воздуха с частицами через криволинейный участок канала на двигающиеся частицы действует центробежная сила. Скорость центробежного движения частиц к стенке канала пропорциональна их размеру и массе, поэтому в начале канала осаждаются наиболее крупные частицы, а дальше по каналу оседающие частицы становятся все мельче и мельче. Таким образом, регистрируя количество осевших частиц вдоль канала, в зависимости от формы канала и скорости прокачки воздуха можно определить дисперсный состав аэрозоля. Техническим результатом является обеспечение возможности измерений дисперсности аэрозоля в режиме реального времени, повышение чувствительности, селективности и точности, а также снижение трудоемкости измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Техническое решение относится к устройствам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения аэрозолями окружающей среды, а также для контроля аварийных выбросов в атмосферу.

Определение. Дисперсный состав показывает, какую долю по массе, объему или числу составляют частицы в любом диапазоне их размеров. Характеристика дисперсного состава может быть задана в виде таблицы, кривой или формулой, выражающей функцию распределения или плотности распределения частиц.

Существует много способов контроля дисперсного состава аэрозоля, в том числе путем осаждения частиц из потока. Среди них достаточно широкое распространение получил центробежной способ воздушной сепарации. Функция распределения массы осевших частиц по длине стенки зависит от дисперсного состава аэрозоля. По графику накопленной массы осевших частиц, где по осям отложены «длина канала» и «масса частиц», рассчитывают дисперсный состав аэрозоля. Первая публикация о щелевом пробоотборнике с вращающейся чашкой Петри была в 1950 г. (Lidwell O.M.). Этот принцип был положен в основу воздушной центрифуги «Бако», выпускаемой фирмой «NEU» (Франция) и позволяющей разделять взвесь исследуемых частиц общей массой ~10 г на восемь фракций в пределах от 1 до 60 мкм в течение ~2 ч. При всех достоинствах такого способа, а именно высокая чувствительность, относительная простота реализации, ему присущи следующие существенные недостатки: ограничение по верхнему пределу измерений счетной и массовой концентраций аэрозолей; неизокинетический отбор проб, связанный с необходимостью прокачки проб аэрозоля через центрифугу, что вносит искажения в определение дисперсного состава для жидкого аэрозоля в области больших размеров из-за разрушающего действия силы вязкости, приложенных к каждой частице со стороны среды при изменении вектора скорости. Эта сила может существенно превышать прочность аэрозольных частиц (например, в случае жидкой частицы - силы поверхностного натяжения), из-за чего происходит ее дробление, а значит и искажение результатов измерения дисперсного состава (увеличение доли частиц малых размеров за счет дробления частиц крупных размеров).

Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля, осаждаемых в поле тяжести с регистрацией распределения осевшей массы последовательно вдоль канала [1]. Однако данный способ не позволяет вести измерения в режиме реального времени и имеет низкую точность.

Известен способ предварительной сепарации аэрозольных частиц для дальнейшего анализа в каскадном импакторе [2]. Однако данный способ за счет центробежных сил приводит к исключению из анализа тяжелых частиц.

Наиболее близким является центробежный способ анализа аэрозоля [3] включающий: прокачивание воздушной среды с исследуемым аэрозолем через прямолинейный вращающийся вокруг своей оси канал, осаждение частиц на стенках канала под действием центробежных сил, снятие информации о дисперсионном распределении частиц вдоль канала и вычисление дисперсного состава аэрозоля. Недостатком данного способа является невозможность измерения в режиме реального времени, а также большая трудоемкость измерений (так, для снятия информации о дисперсном распределении частиц вдоль канала из прибора необходимо извлекать этот канал с накопленными частицами аэрозоля).

Задача авторов предлагаемого изобретения состояла в разработке способа измерений дисперсности аэрозоля в режиме реального времени снижении трудоемкости измерений при повышении чувствительности, селективности и точности.

Поставленная задача решается тем, что способ включает прокачивание воздушной среды с исследуемым аэрозолем через проточный канал, осаждение частиц на стенках канала под действием центробежных сил, снятие показаний о дисперсионном распределении частиц вдоль канала и определение дисперсного состава аэрозоля, согласно изобретению, центробежное осаждение частиц осуществляют за счет прокачки воздушной среды с исследуемым аэрозолем через проточный канал по криволинейной траектории, показания снимают последовательно расположенными чувствительными к осаждаемым частицам аэрозоля сенсорами, показания сенсоров аппроксимируются кусочно-гладкой кривой, берут производную кусочно-гладкой кривой и по производной вычисляют дисперсный состав аэрозоля.

При этом показания снимают чувствительными к осаждаемому аэрозолю полупроводниковыми датчиками.

При этом съем показаний чувствительных сенсоров и вычисление дисперсного состава аэрозоля осуществляют в режиме реального времени.

При этом прокачивание воздушной среды с исследуемым аэрозолем осуществляют через проточный канал с квадратным сечением, постоянным радиусом кривизны R и площадью поперечного сечения S, выбираемых из соотношения

r = 9 L 4 x R S η ρ q ,

где: q - объемный расход воздуха через канал, η - вязкость воздуха, r - радиус частицы аэрозоля, x - расстояние от точки входа потока в канал до места осаждения, ρ - плотность частицы аэрозоля, L - расстояние между стенками квадратного канала.

Новизна изобретения состоит в том, что дисперсное осаждение частиц аэрозоля вдоль измерительного канала происходит за счет его кривизны и скорости аспирации, без использования вращающихся элементов, которые усложняют реализацию способа, могут разрушать аэрозольные частицы и могут искажать результаты измерений как в известных способах, более того измерение может проводиться в режиме реального времени, что делает возможным постоянный мониторинг атмосферы.

Новая взаимосвязь известных и новых признаков изобретения позволила достигнуть нового более высокого технического результата. Согласно заявленному способу, движение воздушного потока по криволинейной траектории, при котором посредством центробежных сил исследуемые частицы аэрозоля непрерывно оседают на датчиках измерения, расположенных вдоль данной траектории, обеспечивает непрерывный контроль (измерение дисперсного состава аэрозоля) в реальном режиме времени с достаточно высокой точностью (достоверностью) при снижении трудоемкости измерений.

Предлагаемый способ поясняется следующими графическими материалами.

На фиг.1 приведен участок канала со схемой скоростей движения частиц аэрозоля.

На фиг.2 приведен график дисперсного состава аэрозоля, где квадраты - результаты, полученные с помощью заявляемого способа, а круги - паспортные данные небулайзера P4 MED2000.

Способ реализуется следующим образом. В проточный криволинейный канал аспирацией закачивается внешняя воздушная среда с исследуемым аэрозолем и прокачивается через него, при этом происходит осаждение частиц на стенках канала под действием центробежных сил. Одновременно осуществляется снятие показаний с последовательно расположенных чувствительных к осаждаемым частицам аэрозоля сенсоров. Крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие, следовательно, в начале канала оседают все частицы (и крупные, и мелкие), а дальше по ходу канала оседают частицы меньших размеров, но всегда оседают частицы всех размеров, оставшихся в потоке. Таким образом, именно разница показаний между последовательно расположенными сенсорами является информацией для вычисления дисперсного состава аэрозоля. То есть необходимо аппроксимировать полученные от сенсоров данные кусочно-гладкой кривой, брать производную кусочно-гладкой кривой и по производной вычислять дисперсный состав аэрозоля.

Пример конкретного применения центробежного способа анализа аэрозоля. Для реализации способа использовалось устройство, состоящее из криволинейного канала с постоянным радиусом кривизны R=0,1 м, канал имел квадратное сечение со стороной квадрата равной L=0,005 м, вдоль стенки канала располагались полупроводниковые сенсоры фирмы Figaro. Чтобы организовать аспирацию воздуха вдоль канала,Ж его подключали к побудителю расхода. При испытаниях устройства аэрозоль создавался при помощи небулайзера P4 MED2000.

Примем следующие обозначения:

S - площадь квадратного сечения канала со стороной L,

R - радиус кривизны канала,

q - объемный расход воздуха через канал 0.000018 м3/с,

η - вязкость воздуха 172 мкПа/с,

r - радиус частицы аэрозоля,

ρ - плотность частицы аэрозоля 1000 кг/м3,

ρв - плотность воздуха 1 кг/м3,

x - расстояние вдоль канала, отсчитывается от входного сечения канала до точки осаждения (первый сенсор находится на расстоянии 0.05 м от входного сечения),

y - расстояние вдоль радиальной оси канала, отсчитывается от внешней стенки канала по направлению к центру кривизны канала в момент пересечения частицы аэрозоля входного сечения канала.

Поток воздуха внутри канала двигается со средней скоростью

V = q S

На частицы аэрозоля внутри потока действует центробежная сила Fц и сила Стокса Fs:

F ц = 4 3 π r 3 ρ V 2 R = 4 3 π r 3 ρ q 2 R S 2

F S = ρ в π r 2 V d 2 ( 6 Re ч + 0.21 ) = ρ в π r 2 V d 2 ( 6 η ρ в r V d + 0.21 ) = = 6 π r η V d + 0.21 ρ в π r 2 V d 2 6 π r η V d

F S = ρ в π r 2 V d 2 C 6 π r η V d

где Vd - скорость дрейфа частицы вдоль радиальной оси,

C - коэффициент лобового сопротивления,

Reч - число Рейнольдса для частицы аэрозоля (считаем малым).

Приравнивая центробежную силу и силу Стокса, получаем, что

4 3 π r 3 ρ q 2 R S 2 = 6 π r η V d

V d = 2 r 2 ρ q 2 9 R S 2 η ( * )

Частица за одно и то же время t пройдет расстояние y со скоростью Vd вдоль радиальной оси и расстояние x со скорость V вдоль канала (см. фиг.1).

t = y V d = x V

V d = y q x S

Используя формулу (*), получаем:

r = y q x S 9 R S 2 η 2 ρ q 2 = 9y 2x R S η ρ q

Так как в канале формируется течение Пуазейля, основной расход воздуха в канале происходит в его центральной части, тогда последнюю формулу приводим к виду:

r = 9 L 2 x R S η ρ q

Из последней формулы следует, что на расстоянии x от точки входа в канал будут оседать частицы с характерным радиусом r. Интенсивность отклика датчика прямо пропорциональна количеству осаждаемого на него аэрозоля, что позволяет определить дисперсный состав аэрозоля.

Реализуемость предлагаемого способа подтверждается результатами испытаний описанного выше устройства путем сравнения измеряемой устройством дисперсностью аэрозоля и паспортными данными использованного небулайзера P4 MED2000. Дисперсный состав аэрозоля, полученный при помощи испытуемого устройства, в сравнении с паспортными данными небулайзера приведен на графике (см. фиг.2), где квадраты - результаты, полученные с помощью заявляемого способа, а круги - паспортные данные небулайзера P4 MED2000. По результатам испытания устройства процентное содержании частиц фракционного состава меньше 6 мкм находилось в интервале 80-85%, что соответствует паспортным данным небулайзера P4 MED2000.

Список литературы

1. Патент США №4570494, НПК 73/863.22, МПК G01N 1/22. Прибор для отбора проб и анализа аэрозоля.

2. Патент США №6595368, НПК 209/139.1, МПК G01N 15/02. Предварительный сепаратор для входа каскада импакторов.

3. П.А. Коузов, Л.Я. Скрябина. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Л. «Химия», 1983, с.55-63.

1. Способ определения дисперсного состава аэрозоля, включающий прокачивание воздушной среды с исследуемым аэрозолем через проточный канал, осаждение частиц на стенках канала под действием центробежных сил, снятие показаний о дисперсионном распределении частиц вдоль канала и определение дисперсного состава аэрозоля, отличающийся тем, что центробежное осаждение частиц осуществляют за счет прокачки воздушной среды с исследуемым аэрозолем через проточный канал по криволинейной траектории, показания снимают последовательно расположенными чувствительными к осаждаемым частицам аэрозоля сенсорами, по полученным данным строят график зависимости показаний сенсоров от их расстояния от входного сечения канала вдоль оси канала, полученный график аппроксимируют кусочно-гладкой кривой, берут производную кусочно-гладкой кривой и по производной вычисляют дисперсный состав аэрозоля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что показания снимают чувствительными к осаждаемому аэрозолю полупроводниковыми датчиками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что съем показаний чувствительных сенсоров и вычисление дисперсного состава аэрозоля осуществляют в режиме реального времени.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокачивание воздушной среды с исследуемым аэрозолем осуществляют через проточный канал с квадратным сечением, постоянным радиусом кривизны R и площадью поперечного сечения S, выбираемых из соотношения
r = 9 L 4 x R S η ρ q ,
где: q - объемный расход воздуха через канал, η - вязкость воздуха, r - радиус частицы аэрозоля, x - расстояние от точки входа потока в канал до места осаждения, ρ - плотность частицы аэрозоля, L - расстояние между стенками квадратного канала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области аналитической химии. Испытуемый образец золошлакового материала и пары азотной кислоты подвергают контакту в изолированной камере в течение 8-90 часов.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и может быть использовано в разных отраслях, в том числе для характеристики дисперсных материалов или раздробленных материалов, песка, цемента и т.п.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при изучении возможного взаимодействия в недрах земли пластовых вод и жидких производственных отходов при закачивании последних в глубокозалегающие водоносные пласты.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к разработке нефтяных низкопроницаемых месторождений. Техническим результатом является определение местоположения застойных и слабодренируемых нефтенасыщенных участков нефтяных низкопроницаемых залежей.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, а именно к способам контроля за разработкой нефтяных месторождений. Техническим результатом является повышение эффективности способа контроля за разработкой нефтяных месторождений за счет более полного и формализованного учета параметров, характеризующих протекающие в пористой среде процессы.

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при оценке огнетушащей способности порошковых составов огнетушителей. Способ определения распределения массы частиц огнетушащего вещества, содержащегося в нестационарном газовом потоке, с осаждением их на подложке и измерением времени осаждения частиц.

Изобретение относится к разработке углеводородных залежей сложного геологического строения с неоднородными, в том числе низко проницаемыми коллекторами. Техническим результатом является повышение точности, надежности и значительное уменьшение времени определения значения коэффициента извлечения нефти (КИН).
Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности в области контроля за разработкой нефтегазовых месторождений. Техническим результатом является получение достоверной информации о пространственном распределении переменной эффективной проницаемости, имеющей характер пропускной способности флюидов пласта под воздействием стационарного давления по площади.

Изобретение относится к автомобильно-дорожной и коммунальной отраслям, а именно к способам, предотвращающим скользкость на автодорогах и тротуарах в зимний период нанесением на них противогололедных реагентов (ПГР).

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли. .

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения содержания растворенного газа, остающегося в нефти после сепарации, при различных давлениях и температурах в установках замера дебитов скважин. Способ определения содержания растворенного газа в нефти включает в себя отбор проб, ввод в прибор калиброванного объема нефти, создание заданного соотношения фаз. Также способ включает приведение системы «нефть-газ» в термодинамическое равновесие при различных температурах и регистрацию давления. При этом приведение системы «нефть-газ» в термодинамическое равновесие производится в присутствии в исходном состоянии газовой фазы в диапазоне давления и температур, имеющихся на замерных установках по месторождению, с получением зависимости содержания растворенного газа от температуры и давления, вводя ее в контроллер замерной установки. Устройство для определения содержания растворенного газа в нефти содержит измерительную камеру с поршнем и терморубашкой, механизм перемещения поршня с блоком управления, фланец с входным клапаном, дозировочную камеру с поршнем и газовой камерой, вентиль турбулизирующий и датчик давления. При этом фланец устройства, для обеспечения сообщения измерительной камеры с атмосферой, снабжен выходным вентилем и резиновой мембраной с заглушкой, имеющей конусное отверстие. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения за счет ведения процесса разгазирования в условиях, соответствующих реально существующим на месторождении, упрощение процесса отбора проб нефти и увеличение, за счет этого, количества проводимых анализов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам анализа образцов пористых материалов. Для определения распределения и профиля проникшего загрязнителя в пористой среде приготовляют суспензию загрязнителя, содержащего по меньшей мере один твердый компонент и окрашенного по меньшей мере одним катионным красителем. Прокачивают суспензию окрашенного загрязнителя через образец пористой среды, после чего производят раскол образца пористой среды и определяют распределение и профиль загрязнителя в образце по распределению и интенсивности по меньшей мере одного красителя. Техническим результатом является обеспечение возможности определения распределения и профиля проникшего загрязнителя в пористой среде с достаточно высокой точностью и высоким разрешением. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к машинному доению коров. Сначала каждую корову доят доильным аппаратом через счетчик молока. Затем транспортируют выдоенное молоко по молочной линии с коммуникациями доильной установки до сборной емкости. Определяют массовую долю жира в средней пробе молока до и после транспортировки по молочной линии. Определяют класс молочной линии по индексу дестабилизации жировых частиц - Д. Причем при разной производительности молочной линии на предприятии в течение суток определяют общую продолжительность каждого доения - Tn и количество молока в конечном танке - Mn, где n - порядковый номер доения. Вычисляют среднюю производительность молочной линии - Vn по формуле: Vn=Mn/Tn. Устанавливают индекс дестабилизации жировых частиц при высокой производительности молочной линии - Дв и при низкой производительности линии - Дн. Класс молочной линии устанавливают при разной ее производительности в соответствии со следующими диапазонами значений Дв и Дн: к I классу с высокой сохранностью жира - менее 4%, ко II классу со средней сохранностью жира - до 7%, к III классу с низкой сохранностью жира - более 7%. Повышается точность определения класса молочной линии. 5 табл.
Изобретение относится к способам определения качества металлических разнофункциональных покрытий на изделиях, получаемых обработкой давлением. Способ определения качества покрытий на изделиях, получаемых обработкой давлением, заключается в том, что образец-свидетель перед подготовкой поверхности по ГОСТ 9.301.78 и нанесением покрытия на него подвергают осадке по схеме напряженно-деформированного состояния аналогично таковой для конкретного вида обработки давлением, при котором получено изделие. Затем исследуемую поверхность образца-свидетеля подвергают комплексной обработке, соответствующей комплексу поверхностной обработки реального изделия после обработки давлением перед нанесением покрытия. В этом случае напряженно-деформированное состояние образца и физико-механическое состояние его поверхности в наибольшей степени соответствует таковым для конкретного вида обработки давлением и последующей поверхностной обработки, при которых получено изделие. Техническим результатом является повышение точности (достоверности) определения параметров качества разнофункциональных покрытий на изделиях, получаемых обработкой давлением.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к определению исходных данных для проектирования разработки продуктивной залежи вмещающей, нефть с повышенным содержанием асфальтено-смолистых веществ, проявляющую неньютоновские свойства нелинейной вязкопластичной нефти. Техническим результатом является повышение точности определения реологических, фильтрационных свойств нефти и термобарических параметров системы «пласт-нефть» с учетом влияния неньютоновских свойств нелинейной вязкопластичной нефти. Способ включает исследование скважины и/или использование данных из исходной геолого-физической характеристики пласта, данных о физических свойствах нефти, составе попутного газа, результатов промысловых и гидродинамических исследований скважины на установившемся режиме, включающих пары значений забойного давления и дебита скважины по нефти и определение реологических и/или фильтрационных параметров системы «пласт-нефть» методом моделирования процессов фильтрации нелинейно вязкопластичной нефти на основе полученных данных с определением ее притока. В модели фильтрации нелинейно вязкопластичной нефти учитывают площадь дренирования и фактор формы контура питания, а псевдоустановившийся приток указанной нефти к забою вертикальной добывающей скважины, расположенной в любом месте произвольной по форме площади дренирования, определяют по математической формуле. 3 з.п. ф-лы, 6 табл., 2 ил.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к определению формы зерен формовочного песка на основе кварца, и может быть использовано при оценке состояния поверхности формовочного песка различных месторождений. Способ включает отбор пробы песка, отделение глинистых частиц, расположение пробы песка на контрастной гладкой подложке, фотографирование через микроскоп, оптический анализ изображения путем наложения сетки и подсчета числа ячеек, содержащих контур фрактала, построение графика логарифмической зависимости, определяющей фрактальную размерность Dp. Анализ изображения осуществляют компьютерной обработкой изображения, подсчитывая число занятых ячеек только на границе зерна песка. Определяют зависимость числа занятых ячеек N со стороной ячейки h от размера ячейки в двойных логарифмических координатах. Построение графика линии логарифмической зависимости осуществляют по lnN от lnh и определяют фрактальную размерность Dp по тангенсу угла наклона линии, полученной построением логарифмической зависимости Dp=lnN/lnh. Техническим результатом является повышение достоверности оценки формы зерна формовочного песка и его развитой поверхности. 3 ил., 2 табл.
Наверх