Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере и устройство для его осуществления

Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 W 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4760964/10 (22) 21.11,89 (46) 23.09.92. Бюл. N. 35 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт молекулярной биологии Научнопроизводственного объединения "Вектор" (72) Т.С.Бакиров, В.И,Бородулин, Г,А.Тенсин и А,С.Фролов (56) А.И.Бородулин, Оценка статистических характеристик концентрации и дозы при моделировании распространения аэрозолей в приземном слое атмосферы, Дисс, канд. техн, наук, специальность 03,00,23 "Биотехнология". — Новосибирск, 1986, — с.183.

Y,lchikawa, Н.Shikata, S.Hishinomiya "А

Gaussian Trajectory Atmospheric Diffusion

model for Complex Terrain J,Japan Soc. Air.

Pollut, — 21(2), р, 104 — 114 (1980), (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ

Предлагаемые технические решения относятся к средствам и способам контроля за состоянием атмосферы и могут быть использованы для оценки ареала распространения мелкодисперсных аэрозолей и различных примесей в атмосфере, например, с целью оптимизации технологии обработки растений биологическими препаратами в аэрозольной форме, Известен способ измерения коэффициента турбулентной диффузии (КТД), включающий дискретное измерение компонент скоро "ти ветра в одной точке пространства в разные моментв времени (Эйлеров подход к решению задачи) и вычисление функции . корреляции компонент пульсации скорости (V ) ветра (1). Коэффициент турбулентной диффузии (К) определяют по формуле:

„, Ы,, 1764016 А1

АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование; контроль за состоянием атмосферы; для оценки ореала распространения аэрозолей. Сущность изобретения: способ включает формирование теплового факела трассера, определение ширины факела трассера в разных его сечениях, измерение скорости перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии по соответствующей формуле. Устройство содержит точечный формирователь факела трассера в виде нагревательного элемента, измеритель скорости распространения факела трассера в воздушном потоке и узлы измерения ширины факела трассера, включающие точечные и линейные датчики температуры, которые подсоединены к блоку питания и через цифровую или аналоговую систему обработки сигналов — к регистрирующему прибору. 5 ил.

К = —" f f V (t) V (t+t)dtdz,(1)

То о где Ч (t) = V(t) — V — отклонение скорости ветра от его среднего значения в момент времени т;

Ч(+ г) = V(t+ т) — V — то же для момента времени t+ t.

Т вЂ” общее время измерения.

Известно устройство для реализации описанного выше способа, которое включает акустический генератор, пьезодатчик, устройство для записи сигналов на магнитную ленту (магнитофон) и ЭВМ (1). С помощью акустического генератора и пьезодатчика через определенные промежутки времени измеряются компоненты скорости ветра и в цифровом коде записываются на магнитную ленту магнитофона. После накопления достаточно большого массива данных, послед1764016 коэффициента турбулентной диффузии (2), включающее источник радиоактивной примеси, используемый в качестве трассера, измеритель ширины факела следа трассера, представляющий собой ряд пробоотборни40

45 ков воздуха, установленных в нескольких точках в каждом сечении факела следа трассера, измеритель скорости потока и счетчик радиоактивного излучения для измерения концентрации радиоактивного излучения в

50 указанных точках. Значения концентрации примеси в нескольких точках аппроксимируются по нормальному закону и затем вычисляется значение КТД по формуле (2), Недостатком прототипов, как способа, так и устройства является недостаточная 55 производительность вследствие необходимости измерения концентрации трассеров во многих точках в разных сечениях факела трассера, что требует длительного времени ние передаются на ЭВМ, где вычисляется

КТД по формуле (1).

Недостатком способа и устройства является низкая производительность из-за длительного измерения и накопления зна- 5 чений скорости ветра и последующего вычисления функции корреляции вследствие дискретного измерения скорости потока в одной точке пространства в разные моменты времени. По оценочным данным требует- 10 ся от 10 до 8.10 значений скорости потока для вычисления одного значения КТД. Таким образом технические решения имеют низкую производительность т.к, не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой 15 форме данных о величине КТД, например для принятия решения в полевых условиях о выборе оптимального режима авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того, устройство 20 имеет сложную измерительную часть, которая ненадежна в эксплуатации в полевых условиях.

Наиболее близким способом-прототипом является способ измерения коэффици- 25 ейта турбулентной диффузии (2), включающий формирование следа трассера; определение ширины 01 и 02 факела следа трассера в разных его сечениях, расположенных на расстоянии (Д) друг от друга 30 перпендикулярно направлению перемещения следа трассера и вычисление КТД по формуле:

<1 +02 02 01 (2)

2 D 35

В качестве трассера используют радиоактивную газовую добавку.

Наиболее близким устройством-прототипом является устройство для измерения измерения и накопления данных для вычисления КТД. Цля вычисления одного КТДтребуется 10 — 10 значений концентрации

4 трассера. Таким образом, технические решения имеют низкую производительность т.к, не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой форме данных о величине КТД, например, для принятия решения в полевых условиях о выборе оптимального режима авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме, Кроме того, способ предусматривает использование разнородной по принципудействия аппаратуры и измеряемых физических величин, что затрудняет возможность его автоматизации в полевых условиях.

Целью изобретения является повышение производительности определения КТД.

Указанная цель достигается следующей совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления. Способ определения КТ4 включает формирование факела трассера, определение ширины

0i факела трассера в двух его сечениях, расположенных на расстоянии (Д) друг от друга перпендикулярно оси факела трассера, измерение скорости (V) перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии (К) по формуле:

K V . 01 + 02 . 02 01

2 D

В качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии. В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей средь! ATni и ДТть cooTBeTGTBeHHQ на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения:

1 ЛТл! о= = ДТ 1. (3)

По сравнению с прототипом, новым в предлагаемом способе является то, что в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии. В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды ATni и ДТ, соответственно на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения:

1 ATni

2 ДTYII

Устройство для определения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере включает точечный формирователь факела трассера, измеритель скорости

1764016 распространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные на измеренном расстоянии друг от друга, и блок регистрации и обработки, Формирователь трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой.

Нагревательный элемент, точечные термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой, Новыми по сравнению с прототипом является следующие признаки устройства.

Формирователь факела трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометра сопротивления, длина проволок которых равны между собой. Нагревательный элемент, точечные термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяженные сопротивления расположены перпенДикУлЯРно к ЭТОЙ llPslMOA.

Новые признаки способа и устройства обладают по сравнению с аналогами в области измерения КТД неизвестными ранее техническими свойствами, которые заключаются в обеспечении возможности использования такого трассера, измерение концентрации которого осуществляется однотипными приборами, позволяющими упростить процесс автоматизации измерения

КТД, а данные измерения КТД представить в аналоговой форме за счет усреднения изменения концентрации трассера в разных точках сечений факела трассера.

На фиг, 1 изображена схема устройства для измерения КТД веществ в воздушном потоке.

На фиг. 2 приведена аналоговая система обработки сигналов при вычислении

КТД.

Устройство для осуществления способа измерения КТД веществ в воздушном потоке содержит точечный источник трассера и измеритель скорости распространения трассера в воздушном потоке, выполненные в виде одного проволочного нагревательного элемента 1, свернутого в спираль, Каждый узел измерения ширины факела трассера содержит точечные 2, 3, 4 и протяженные 5, 6TGpMoMGTpbl сопротивления, выполненные в виде проволочных элементов одинаковой длины. Точечные термометры 2, 3, 4 свернуты в спираль, а протяженные термометры 5, 6 — растянуты на изолированных опорах 7. Термометр 2 установлен перед нагревательным элементом 1, а термометры 3, 4 — последовательно за нагревательным элементом 1, на одинако5 вом расстоянии. Протяженные термометры

5, 6 размещены соответственно в паре с точечными термометрами 3, 4 и образуют узлы измерения. Термометр 3 расположен в одной плоскости сечения А — А факела трас10 сера с термометром 5, а термометр 4 — соответственно в плоскости сечения Б-Б факела трассера с термометром 6. Причем, термометр 3 установлен в средней части проволочного элемента термометра 5, а

15 термометр 4 — в средней части проволочного элемента термометра 6. Проволочные элементы термометров 5, 6 ориентированы перпендикулярно оси расположения термометров 1-6. Кроме того, проволочные эле20 менты термометров 1 — 6 подсоединены к блоку питания 8 и через блок 9 обработки сигналов — к регистрирующему прибору 10.

Блок 9 обработки сигналов может быть выполнен на основе микропроцесса или ана25 логовой системы обработки сигналов.

Способ измерения КТД веществ в воздушном потоке осуществляют следующим образом. На нагревательный элемент 1 и термометры 2 — 6 подается напряжение с

30 блока питания 8. Элемент 1 нагревает воздушный поток, вследствие чего формируется тепловой факел трассера. Поток тепла диффундирует, в соответствии со степенью турбулентности набегающего воздушного

35 потока, в поперечном и продольном направлениях. Протяженный термометр 5 изменяет свое электрическое д R>1 сопротивление пропорционально амплитудному значению изменения температуры (дТ 1) потока в се40 чении А-А факела трассера и ширине (») сечения А-А факела трассера, Точечный термометр 3 изменяет свое сопротивление

Д R» пропорционально только амплитудному значению изменения температуры (дТт1) потока в сечении А — А факела трассера. При одинаковой длине (L) проволочных элементов термометров 3, 5 ширину (») теплового следа в сечении А — А определяют по формупе:

50 1 ДТ,„

01= — (V/2 .

1 Дйл1 (4)

Протяженный термомент 6 изменяет свое

55 сопротивление Ь4 пропорционально амплитудному значению изменения температуры (ДТЛ2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера и ширине (о2) сечения (Б-Б) факела трассера, Точечный термометр 4 изменяет

1764016 свое сопротивление (T2) пропорционально только амплитудному значению изменения температуры (ЛТт2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера. При одинаковой длине (1) проволочных элементов термометров 5

4, 6 ширину (о2) теплового следа в сечении (Б-Б) определяют по формуле:

02=

1 ЛТл2

\/2 рт ХТт2

1 Лйл2

ХВ г

10 (5) CK0pocTb(V) набегающего воздушного потока измеряют по величине мощности, подаваемой на нагревательный элемент 1 стандартным термоанемометрическим способом, Сигналы с термометров 2 — 6 и нагревательного элемента 1 поступают на блок 9, они обрабатываются в аналоговой или цифровой форме. При выполнении блока 9 в 20 виде аналоговой системы обработки сигналов (фиг. 2), вычисление КТД производится по формуле (2) с учетом значений ширины 1, 2 сечений А — А, Б — Б факела трассера, определенных по изменениям температуры фа- 25 кела трассера в этих сечениях:

1 ЛТд hTu гтт Хттт Хттг

ЛТ 1 1 „ЛВ 1 ттт1 э = г тт т ХЛт1

Л В1.2 Л В 1

" Хйтт Хбт1 D где L — длина проволочных элементов термометров 2 — 6;

D — расстояние между сечениями А — А и

Б — Б.

Действующая модель устройства для измерения КТД веществ в атмосфере представляет собой консоль длиной 180 мм, на 4 которой укреплены последовательно через

50 мм на штангах: термометр 2 опорного сопротивления (на высоте 40 мм), нагреватель 1 (на высоте 80 мм), два опорных кольца диаметром 100 мм, На кольцах укреплены протяженные термометры 5, 6 и точечные термометры 3, 4. Проволочные термометры выполнены из медного провода в эмалевой изоляции диаметром сечения 20 мкм. Нагреватель 1 выполнен из нихромового провода и обеспечивает нагрев от блока 8 питания до 70 С, Блок 9 (фиг. 1) обработки данных может быть реализован на основе стандартных узлов обработки аналоговых сигналов. Напряжения на термометрах 3-6 (фиг. 1), пропорциональны их сопротивлениям при стабилизации тока. Изменение напряжения при включении нагревателя 1 пропорционально изменению сопротивления М термометров 3 — 6, Тогда, подставив в формулу (6) значения Ьйт1, ЛЯт2, Лйл1, Ж42 ПрОПОрцИОНаЛЬНЫЕ ИХ ЗНаЧЕНИя ЛОт1, ЛОт2, ЛОл1, Ж/л2 и приравняв все константы

1 . — =а получим выражение для КТД через ЬО и скорость V:

К=

4 +2 От1 О л1 От2 От2 ЛОт1 ) (7)

Получение напряжения О, пропорционального К, выполняется схемой, приведенной на фиг, 2. Преобразователи 11 (на основе дифференциальных усилителей), по одному на каждый линейный и точечный датчики, даЮт СООтВЕтСтВЕННО ЛОт1, Л От2, U 1, Л Ол2. Аналоговые перемножители 12, 13, 14 вычисляют произведения, стоящие в скобках формулы (7), перемножители 15, 16, 17 выполняют возведение в квадрат, дифференциальный усилитель 18 — вычитание, делитель 19 (на основе перемножителя) осуществляет деление, перемножитель 20— умножение на а. Усилитель 21 регулирует коэффициент а.

Пример вычисления коэффициента турбулентной диффузии приведен s таблице 1, При этих значениях ширина сечения А—

А факела 01 = 8,5 мм и ширина сечения Б — Б о2 = 31,1 мм, а значение коэффициента турбулентной диффузии составляет: К = 3,83х х10 м /сек.

Технический эффект предлагаемых технических решений состоит в повышении производительности определения КТД вследствие оперативности получения данных за счет одномоментного усреднения концентрации трассера в разных точках сечений его факела, что позволяет сократить время получения значений КТД с 1 часа (в прототипе) до долей секунды в и редложенных способе и устройстве, Это важно, например, при оперативном принятии решений в полевых условиях для оптимизации технологии авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того упрощается автоматизация технических средств вследствие того, что в предлагаемом устройстве используется одинаковая по принципу действия аппаратура.

Формула изобретения

1. Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере, включающий формирование факела трассера,определение ширины о факела в двух его сечениях, расположенных на расстоянии D друг от друга перпендикулярно оси факела, измерение скорости трассера и

1764016

V м/сек Rg Ом Ryi Ом Вт Ом Вт2 Ом

L,мм

D,мм

0,07 0,09

1 м/сек 0,18

0,85

100

50 вычисление коэффициента турбулентной диффузии К по формуле

0) + 02 02 — G1

2 0 отличающийся тем, что, с целью измерения производительности, в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии, в каждом из двух сечений факела определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды hT>i и

ЬТт соответственно на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из вы2 ЛТД ражения с = — -. 1.

2, Устройство для определения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере, включающее точечный формирователь факела трассера, измеритель скорости распространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные

5 на измеренном расстоянии друг от друга. и блок регистрации и обработки, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения производительности, формирователь факела трассера выполнен в виде нагреватель10 ного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой, нагревательный элемент, точечные

15 термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой, причем протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой, 1764016

Составитель Ю. Мистюрин

Техред М,Моргентал Корректор М. Максимишинец

Редактор Г. Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3456 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5