Способ измерения концентрации частиц аэрозоля и устройство для его осуществления



Способ измерения концентрации частиц аэрозоля и устройство для его осуществления
Способ измерения концентрации частиц аэрозоля и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2563762:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт прикладной акустики" (RU)

Предложенный способ позволяет измерять распределение по фракциям и концентрации твердых и жидких частиц аэрозоля в интервале размеров частиц: от 0,8 мкм до 2 мкм, от 2 мкм до 5 мкм, от 5 мкм до 10 мкм и более 10 мкм при помощи полупроводниковых кондуктометрических сенсоров по изменению проводимости. При применении заявляемого способа измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени и устройства для его осуществления, состоящего из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам и измерения концентрации аэрозоля в каждой камере, измерения проводятся полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами по изменению их проводимости после предварительного прогрева, для чего проводится предварительная калибровка сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, которая принимается постоянной вплоть до окончания измерений, причем калибровка осуществляется для каждого сенсора, далее с учетом калибровки значения проводимостей по заданному алгоритму пересчитываются в концентрации. Техническим результатом является снижение стоимости измерения и потребления энергии, а в части устройства - уменьшение его массогабаритных характеристик. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предложенный способ позволяет измерять распределение по фракциям и концентрации твердых и жидких частиц аэрозоля в интервале размеров частиц: от 0,8 мкм до 2 мкм, от 2 мкм до 5 мкм, от 5 мкм до 10 мкм и более 10 мкм при помощи полупроводниковых кондуктометрических сенсоров по изменению проводимости.

Техническое решение относится к способам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля за аварийными химическими выбросами.

В настоящий момент существует несколько способов контроля осаждаемого аэрозоля. Наиболее распространенным и признанным в качестве стандарта в Европе, в частности в России, Англии, Франции, Бельгии и др., является гравитационный способ, согласно которому из аэрозольного потока выделяют частицы и определяют их массу. Выделение частиц, как правило, осуществляется при пропускании проб воздуха через различные фильтры, и по массе частиц, осажденных на фильтрах, определяют концентрацию аэрозоля в воздухе по формуле (1):

где m - масса осажденных частиц, мг;

Q - объемный расход воздуха через пробоотборник, м3/с;

τ - время отбора пробы, с.

Основные преимущества этого способа - получение массовой концентрации веществ и отсутствие влияния их химического и дисперсного состава на результаты измерений. К недостаткам относится большая трудоемкость процесса измерения и отсутствие возможности контролирования изменения концентрации аэрозоля в режиме реального времени.

Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля, состоящий из измерения аэрозоля кондуктометрическим полупроводниковым сенсором в реальном времени [1]. Недостатком данного способа является невозможность измерения дисперсного состава аэрозоля из-за нулевой избирательности данного типа сенсора.

Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля, состоящий из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам и измерения концентрации аэрозоля (исследуемого вещества) для каждой камеры, имеющей свой диапазон дисперсности [2]. Изобретение позволяет фиксировать во времени изменение концентрации аэрозоля и его дисперсности, обеспечивает совместное измерение дисперсного состава и концентрации аэрозоля в большом временном интервале. Недостатком данного изобретения является невысокая точность измерения концентрации аэрозоля и невозможность проведения измерений в реальном времени.

Известен способ измерения концентрации частиц аэрозоля газоанализатором на основе полупроводниковых кондуктометрических датчиков [3]. Однако в предложенном способе аэрозоль осаждается диффузией, что существенно затрудняет проведение контроля фракционного состава аэрозоля.

Наиболее близким является способ измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени и устройство для его осуществления, состоящий из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам устройства и измерения концентрации аэрозоля для каждой камеры, имеющей свой диапазон дисперсности [4]. Недостатками данного способа и устройства являются дороговизна, а также громоздкость измерительного устройства и большое потребление энергии.

Задачей технического решения является выбор условий, при которых измерения проводятся с минимальными материальными и энергетическими затратами.

Технический результат состоит в том, что заявленный способ позволяет снизить стоимость измерений и потребление энергии, а в части устройства - в уменьшении его массогабаритных характеристик.

Поставленная задача решается следующим образом. При применении заявляемого способа измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени и устройства для его осуществления, состоящего из забора пробы из окружающей среды, распределения по дисперсности исследуемого потока аэрозоля по соответствующим камерам и измерения концентрации аэрозоля в каждой камере, измерения проводятся полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами по изменению их проводимости (после предварительного прогрева), для чего проводится предварительная калибровка сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, которая принимается постоянной вплоть до окончания измерений, причем калибровка осуществляется для каждого сенсора. С учетом калибровки значения проводимостей пересчитываются в концентрации по заданному алгоритму.

Кроме того, в устройстве, состоящем из импактора с последовательно расположенными измерительными камерами для определенных диапазонов дисперсности частиц, установлены датчики концентрации аэрозоля, которыми согласно изобретению являются полупроводниковые кондуктометрические сенсоры.

Кроме того, калибровку дополнительно проводят по другому известному веществу.

Кроме того, кондуктометрические сенсоры установлены в зоне торможения потока.

Данное техническое решение позволяет снизить стоимость измерений и потребление энергии, а также уменьшить габариты устройства.

Техническая сущность предложенного решения поясняется фигурой, где представлено условное изображение функционирования устройства - импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами в процессе осуществления предложенного способа: импактор (1), входной патрубок (2), перегородки (3), отверстия (4) в перегородках (3), камеры (5) для аэрозоля с различной дисперсностью, полупроводниковые кондуктометрические сенсоры (6), выходной патрубок (7).

Предлагаемый способ состоит из последовательности следующих операций: через входной патрубок (2) в импактор осуществляется забор атмосферного воздуха, содержащего аэрозоль, попав в импактор (1), аэрозоль через отверстия (4) перегородок (3) поступает в измерительные камеры (5), в которых установлены сенсоры (6), и через выходной патрубок (7) покидает импактор (1). Так как отверстия (4) имеют разный диаметр, то поток аэрозоля проходит через них с разной скоростью, что позволяет в каждой камере (5) осаждать частицы на сенсоры и измерять концентрацию аэрозоля различной дисперсности. Для проведения измерений необходимо предварительно провести калибровку, которая осуществляется следующим образом. Сенсоры предварительно прогревают, и далее проводят калибровку сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью. Калибровку осуществляют для каждого сенсора, количество калибровочных экспериментов с измерением проводимости сенсоров на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, определяется исходя из требований к диапазону и точности измерений. Далее проводят измерения текущих значений проводимостей сенсоров в реальном времени, которые с учетом калибровки, по заданному алгоритму пересчитываются в концентрации.

Пример конкретного осуществления предложенного способа.

Калибровка проводилась с использованием, аэрозоля 15% водного раствора модельного вещества и импакторов. Испытания проводились в герметичной испытательной камере, объемом 8 м3, оборудованной вытяжной вентиляцией и технологическими отверстиями для подключения импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками и такого же импактора с фильтрами Петрянова. В течение всех экспериментов импактор с полупроводниковыми кондуктометрическими сенсорами находился в камере, а для каждого эксперимента устанавливался такой же импактор с фильтрами Петрянова (на местах крепления сенсоров). Создание аэрозоля водного раствора осуществлялось с использованием ультразвукового генератора «Вулкан-2». Длительности распыления водного раствора выбирались в соответствии с производительностью генератора для равномерного охвата исследуемого диапазона концентраций. После каждого распыления осуществлялось перемешивание аэрозоля в течение одной минуты. Отбор аэрозоля производился параллельно через импактор с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками и через такой же импактор с фильтрами Петрянова. Объемы прокачиваемого воздуха через каждый импактор были равны. После отбора аэрозоля проводился продув камеры до полного очищения (не менее 15 минут). Определение количества аэрозоля модельного вещества, уловленного импакторами с фильтрами Петрянова, осуществлялось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии со спектрофотометрическим детектированием. В процессе калибровки было проведено 7 калибровочных экспериментов, в результате которых были получены зависимости показаний концентрации аэрозоля, измеренных при помощи импактора с фильтрами Петрянова методом количественного химического анализа, от показаний импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками. Калибровочная кривая представлена прямой линией с формулой (2):

где C - предполагаемая концентрация аэрозоля в мг/л,

G - показания импактора с полупроводниковыми кондуктометрическими датчиками в отсчетах АЦП,

а и G0 - калибровочные коэффициенты, полученные при линейной аппроксимации результатов.

Список литературы

1. Патент США №5382341. «Способ детектирования дыма (аэрозоля)».

2. Патент РФ №2296975, 10.04.2007, МПК7 G01N 15/02. «Импактор».

3. Патент на полезную модель РФ №95846, 29.12.2009, G01N 27/00 (2006.01). «Газоанализатор на основе полупроводниковых кондуктометрических датчиков».

4. Патент США №6431014, 13.08.2002, МПК7 G01N 15/02. «Высокоточный импактор аэрозоля и мониторинг».

1. Способ измерения концентрации частиц аэрозоля в реальном времени, состоящий из забора пробы аэрозоля из окружающей среды на техническое устройство, распределения отобранного аэрозоля по дисперсности в соответствующих камерах технического устройства и измерения концентрации аэрозоля в каждой камере, отличающийся тем, что измерения проводятся полупроводниковыми сенсорами по изменению их проводимости после предварительного прогрева, для чего проводится предварительная калибровка сенсоров по их проводимости на атмосферном воздухе и на воздухе, содержащем аэрозоль с известной концентрацией и дисперсностью, которая принимается постоянной вплоть до окончания измерений, причем калибровка осуществляется для каждого сенсора, с учетом калибровки значения проводимостей по заданному алгоритму пересчитываются в концентрации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что калибровку дополнительно проводят по другому известному веществу.

3. Устройство, состоящее из импактора с последовательно расположенными измерительными камерами, в которых частицы аэрозоля распределяются согласно диапазонам дисперсности и в каждой из которых установлены датчики концентрации аэрозоля, отличающееся тем, что датчиками являются полупроводниковые кондуктометрические сенсоры.

4. Устройство по п.4, отличающееся тем, что сенсоры установлены в зоне торможения потока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области исследования многофазных потоков, в частности к технике определения параметров твердой, жидкой и газообразной фаз потока оптическими средствами, и может быть использовано для определения концентрации и массовой плотности дисперсной фазы в пространстве, а также оценивать распределение частиц дисперсной фазы по размерам и ослабление света в мутной среде.

Изобретение относится к области полупроводниковых технологий и более конкретно к способу мультиспектральной визуализации для измерения критического размера (КР) наноструктурированных объектов и к устройству, в котором осуществляется данный способ.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения размеров частиц атмосферного аэрозоля.

Изобретение относится к области техники автоматизации измерений, при анализе взвешенных наночастиц. Способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц состоит в пропускании газа (смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа и введении их в перенасыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества.

Изобретение относится области, связанной с анализом взвешенных частиц. При реализации заявленного способа происходит освещение потока частиц пучком когерентного излучения, который разделяется на два пучка опорный и объектный и регистрации голограммы изображений частиц, по которым и судят о размерах последних.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ определения геометрических размеров частиц окомкованного и/или гранулированного материала в насыпном слое заключается в том, что формируют видимую область каждой частицы, путем выделения ее на растре видеоизображения от соответствующего ей максимума интенсивности отраженного излучения до ближайших к нему минимумов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим методам измерения параметров несферических дисперсных частиц, взвешенных в жидкости. Способ заключается в измерении зависимостей интенсивности рассеянного излучения от времени при нескольких положениях поляризационного анализатора, промежуточных между положением, в котором пропускается излучение с линейной поляризацией, совпадающей с поляризацией возбуждающего излучения (VV), и положением, в котором пропускается излучение с поляризацией, перпендикулярной поляризации возбуждающего излучения (VH).

Изобретение относится к области техники, а именно автоматизации измерений при анализе взвешенных наночастиц в газах. Для этого используют устройство для определения спектра размеров взвешенных наночастиц в газах, содержащее размещенные по ходу анализируемого потока газа входное сопло с каналами подачи; диффузионные батареи сетчатого типа для пропускания аэрозольных частиц определенного размера; укрупняющее устройство конденсаторного роста; счетный объем; вакуумный насос; температурные датчики, нагреватель, охладитель и микроконтроллер для управления процессами нагревания и охлаждения в укрупняющем устройстве конденсаторного роста; оптическую систему, включающую импульсный источник излучения, осветитель и объективы для фокусировки оптического излучения в области счетного объема потока частиц и формирования изображений на матрице ПЗС; аналогово-цифровой преобразователь и ЭВМ для управления микроконтроллером термостатирования, ваккумным насосом и обработки шести изображений укрупненных частиц для анализа спектра их размеров.

Изобретение относится к способу и устройству для определения локальной величины зерна минерала для минерала ценного материала в породе месторождения или залежи, причем порода включает в себя по меньшей мере один другой минерал, и при этом минерал ценного материала имеет более высокую плотность, чем по меньшей мере один другой минерал.

Изобретение относится к способам автоматического контроля крупности частиц в потоке пульпы в процессе измельчения материала и может быть использовано в области обогащения руд полезных ископаемых, а также в горно-металлургической, строительной и других областях промышленности.

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств сталей и сварных соединений и может применяться в различных отраслях промышленности. Сущность: по окончании процесса воздействия на образец ударным изгибом предварительно готовят микрошлиф образца. С помощью оптического микроскопа формируют изображение микроструктуры участка разрушения, по которому определяют величину пакетов бейнитной структуры, и находят параметрические характеристики вязкого и хрупкого разрушения по следующим зависимостям: dя=0,1 dб dфтс=0,6-0,8 dб, для трубных сталей класса прочности до К60, dфтс=0,4-0,6 dб, для трубных сталей класса прочности свыше К60 включительно, где: dя - средний размер ямки в участке вязкого разрушения (мкм), dфтc - средний размер фасетки транскристаллитного скола в участке хрупкого разрушения (мкм), dб - средний размер пакета бейнита (мкм). Технический результат: сокращение времени исследования и упрощение процесса оценки искомых характеристик. 18 ил.

Изобретение относится к исследованию аэрозолей жидкостей различной вязкости и предназначено для определения дисперсных характеристик аэрозоля в широком диапазоне размеров частиц, в том числе нанометров. Измеряют размер реальной капли, движущейся в потоке воздуха. При этом происходит распыление жидкости в воздушной среде, а поток аэрозоля направляется в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера. Подсвеченные лазером капли регистрируются видеосистемой микроскопа в виде отдельных треков, где ширина трека - суть размер капли, а его длина пропорциональна длительности экспозиции и скорости движения капли. Размер капель оценивается по ширине треков с учетом изображения мерной линейки, сделанного при том же увеличении, что и фото треков капель аэрозоля. Капли, подсвеченные лазером, на видеоизображении дают треки, ширина которых равна диаметру капель, а длина пропорциональна времени экспозиции. Изобретение обеспечивает упрощение процесса и увеличение точности измерения размеров отдельных частиц. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля аварийных выбросов. Устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока содержит отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого в измерительной камере установлен сенсор с рабочей поверхностью, подключенный к блоку обработки информации, а измерительная камера соединена с отборником воздуха. При этом измерительная камера снабжена планкой для торможения потока частиц, а сенсор снабжен концентратором, выполненным в виде конического отверстия в планке, расположенной перпендикулярно потоку, и выполнен из полупроводника, меняющего свои резистивные свойства пропорционально количеству осаждаемого аэрозоля. Техническим результатом является повышение точности измерений концентрации аэрозоля в режиме реального времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптических методов измерения физико-химических характеристик аэрозольных сред и может быть использовано при разработке лидарных комплексов для дистанционного контроля дисперсного состава аэрозольных облаков стойких токсичных химикатов (ТХ) при возникновении запроектных аварий в местах хранения и уничтожения химического оружия (УХО) и на других химически опасных объектах. В способе проводится зондирование полидисперсного аэрозольного облака ТХ многочастотным лазерным излучением ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов спектра и регистрируются интенсивности сигналов обратного упругого аэрозольного рассеяния. В процессе хранения ТХ осуществляется контроль их оптических констант (коэффициента преломления и показателя поглощения). По результатам спектральных измерений создается база данных характеристик аэрозольного рассеяния ТХ на основе многопараметрических рядов, включающих относительные характеристики обратного аэрозольного рассеяния с использованием инструментально измеренных значений мнимой и действительной частей комплексного показателя преломления ТХ, а также медианного диаметра и дисперсии распределения логарифмически нормального закона распределения аэрозоля ТХ по дисперсному составу. При этом контроль дисперсного состава аэрозолей ТХ осуществляют в рамках теории распознавания образов по минимальному значению меры близости сигналов аэрозольного рассеяния, полученных в эксперименте с помощью дистанционного средства, и данных многопараметрических рядов в составе базы данных средства локации. Изобретение обеспечивает дистанционный контроль размеров тонкодисперсных аэрозолей стойких ТХ с логарифмически нормальным законом распределения частиц по дисперсному составу для оценки масштабов и последствий аварийных выбросов ТХ на объектах УХО. 3 табл.

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в автомобильной, сельскохозяйственной, авиационной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Устройство анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами включает кювету с чистым маслом, измерительный канал анализа угарных частиц, расположенный на высоте минимального уровня масла в картере, и измерительный канал анализа металлических частиц, расположенный внизу масляного поддона картера двигателя. Также устройство включает лазер в качестве источника зондирующего излучения, три смотровых окна, три светоделителя (полупрозрачных зеркала), световую ловушку, три объектива, датчик температуры и три ультразвуковых излучателя каналов анализа угарных, металлических частиц. Кроме того, устройство также включает эталонный канал, усилитель, четыре аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, генератор ультразвуковых колебаний, коммутатор, электронно-вычислительную машину. Также устройство дополнительно содержит три ПЗС-матрицы и три DSP-процессора. Техническим результатом является повышение точности измерения параметров угарных и металлических частиц, а также повышение информативности данных для оценки концентрации, размера и формы взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в масле, в частности дает возможность контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерений, где необходимо проводить оперативный анализ качества моторного масла. Способ анализа загрязненности моторного масла двигателя внутреннего сгорания дисперсными частицами включает зондирование исследуемой дисперсной среды пучком маломощного лазерного и ультразвукового излучения, регистрацию рассеянного и отраженного дисперсными частицами излучения, эталонный канал с чистым моторным маслом и два канала контроля в исследуемом объеме картера двигателя. При этом канал контроля металлических частиц располагается внизу масляного поддона картера двигателя и канал контроля угарных частиц, располагающийся на высоте минимального уровня масла в картере, а также три ультразвуковых излучателя, частота которых зависит от температуры масла, при этом по получаемым при помощи ПЗС-матриц изображениям рассеянного от исследуемых сред светового пучка и по соотношениям между параметрами изображений для эталонного канала и канала контроля металлических частиц. Кроме того, по параметрам изображений эталонного канала и канала контроля угарных частиц судят о степени и характере загрязненности моторного масла, размерах и формах дисперсных частиц. Технический результат - повышение информативности данных для оценки концентрации, размера и формы взвешенных металлических и угарных дисперсных частиц, находящихся в масле. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования частиц с помощью ИК спектроскопии, в частности к методам экспресс-анализа полимерных композитов. В способе определения ориентации анизометричных частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы при выполнении условия |nМ-nН|>0, где nМ и nН - показатели преломления матрицы и наполнителя соответственно, производится регистрация ИК спектров пропускания при облучении композитов под разными углами источником ИК излучения. Далее, преобразованием полученных спектров в кривые распределения частиц наполнителя по размерам и идентификацией экстремумов кривых распределения частиц наполнителя по размерам определяют угол ориентации частиц в объеме полимерной матрицы. Техническим результатом является разработка ИК спектроскопического экспресс-способа определения ориентации анизометрических частиц наполнителя в объеме полимерной матрицы. 2 табл., 4 ил.
Наверх