Пассивное пробоотборное устройство

Пассивное пробоотборное устройство

Реферат

Изобретение относится к устройствам отбора проб воздуха с целью последующего определения средней концентрации отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции. Устройство может применяться в полевых условиях в системах контроля за содержанием радиоактивных веществ в приземном слое атмосферы. Также может быть использовано для определения средней влажности воздуха за время экспозиции.

Известен пробоотборник газа для отбора проб самоистекающих газов из почв и подпочвенных пород в полевых условиях (Патент РФ №2055340 приоритет от 15.06.92, опубл. 27.02.96, МПК 601 N 1/22). Накопитель пробы представляет собой колонку, заполненную адсорбентом. Колонка снабжена на одном конце крышкой со штуцером, с закрепленной на нем заборной воронкой, а на другом конце - штуцером со смонтированным на нем защитным зонтиком с отверстиями. Заборная воронка и защитный зонтик установлены с возможностью съема. В описанном выше пробоотборнике роль защиты от ветра и осадков выполняет зонтик.

Недостатком известной конструкции является следующее. Данная конструкция не позволяет в полевых условиях проводить отбор проб воздуха в приземном слое, поскольку конструкция заборной воронки с открытым каналом, предназначенная для установки непосредственно на скважину, а зонтик не может обеспечить приемлемую защиту от ветра при отборе проб из воздуха. Последнее обстоятельство будет вызывать существенное увеличение скорости поступления отбираемого вещества (более чем в 20 раз) и соответственно увеличение погрешности при определении средней концентрации отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции.

Наиболее близким по назначению и технической сущности является пассивный пробоотборник для отбора проб оксида трития (R.L.OTLET, A.J.WALKER, C.J.CALDWELL-NICHOLS PRACTICAL INVIRONMENTAL, WORKING AREA AND STACK DISCHARGE SAMPLERS, PASSIVE AND DYNAMIC, FOR MEASUREMTNT OF TRITIUM AS НТО AND HT, FUSION TECHNOLOGY, vol 21, MAR, 1992. p.550-555). Этот пробоотборник выбран в качестве прототипа. Пробоотборник представляет собой пластиковую бутылку с силикагелем, помещенную в водонепроницаемый контейнер. В горловине пластиковой бутылки расположена диффузионная трубка, закрытая снаружи сеткой из нержавеющей стали. Последние два элемента выполняют роль ветрозащитного приспособления, при этом трубка также выполняет функцию дозирующего элемента, регулирующего скорость поступления отбираемого вещества посредством замены на трубку с большим или меньшим диаметром. В известном пассивном пробоотборном устройстве применена трубка диаметром 15 мм и длиной 60 мм, закрытая сеткой из нержавеющей стали с числом ячеек на один дюйм, равным 100. Данная конструкция ветрозащитного приспособления обеспечивает коэффициент ветрозащиты (отношение скорости поступления в пробоотборник при скорости ветра 2-3 м/с к скорости поступления в неподвижной среде) на уровне 1,2. При этом пробоотборник набирает 0,3 г влаги за время экспозиции 6 суток. При использовании трубки с диаметром 25 мм коэффициент ветрозащиты составляет 1,3, при этом пробоотборник набирает 1 г влаги за 6 суток.

Такая конструкция имеет недостатки, которые обусловлены следующими обстоятельствами. Ветрозащитное приспособление состоит из двух элементов - трубки и сетки. Сетка ослабляет турбулентность потока воздуха на входе в трубку. Далее в трубке, за счет преобладания длины над диаметром, происходит гашение турбулентности и формирование диффузионного потока. В виду того, что сетка не обеспечивает полное гашение турбулентности воздуха, глубина проникновения потоков воздуха в трубку и соответственно эффективное расстояние от поверхности сорбции до границы начала диффузионного потока будут изменяться в зависимости от скорости ветра. Последнее обстоятельство вызывает увеличение погрешности определения концентрации отбираемого вещества из воздуха при эксплуатации в широком диапазоне изменения скорости ветра вследствие отклонения от пропорциональности между скоростью поступления в пробоотборник и концентрацией отбираемого вещества в воздухе. Кроме того, в виду наличия сравнительно длинной трубки, такая конструкция ветрозащитного приспособления создает значительное диффузионное сопротивление поступающему в пробоотборник веществу. Вследствие этого снижается скорость поступления и количество отобранной пробы за время экспозиции. С другой стороны это не позволяет набрать минимально требуемое количество пробы за меньшее время экспозиции. Совмещение функции ветрозащиты и дозирования конструктивно в одном элементе (трубке) приводит к увеличению степени влияния ветра при увеличении диаметра трубки, что будет вызывать увеличение погрешности при отборе аналогичного количества пробы за меньшее время экспозиции.

Задачей настоящего изобретения является создание универсального пробоотборного устройства для отбора проб воздуха, в частности, элементарного трития и его оксида, а также паров воды в течение непродолжительного времени экспозиции (не более 1 суток), обеспечивающего пропорциональность между скоростью поступления в пробоотборник и концентрацией отбираемого вещества в воздухе при эксплуатации в полевых условиях в широком диапазоне изменения скорости ветра. Обеспечение вышеуказанных требований позволяет свести к минимуму погрешность определения средней концентрации отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции.

Техническим результатом применения заявляемого пассивного пробоотборного устройства является получение в условиях переменной скорости ветра и непродолжительного времени экспозиции пробы отбираемого вещества из воздуха, количество которой пропорционально среднеинтегральному значению отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции согласно соотношению М=к·С·τ, где М - масса отобранной пробы, С - средняя концентрация отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции, τ - время экспозиции, к - коэффициент пропорциональности.

Технический результат достигается тем, что в известном пассивном пробоотборном устройстве, содержащем собственно пробоотборник, сменный дозирующий элемент, корпус и ветрозащитное приспособление, сменный дозирующий элемент выполнен самостоятельным, а ветрозащитное приспособление выполнено в виде пористой мембраны, размещенной в основании корпуса и перекрывающей его, при этом пробоотборник расположен таким образом, что расстояние между входным отверстием пробоотборника и мембраной отвечает условию:

0,1D<L<0,3D,

где D - диаметр мембраны;

L - расстояние между входным отверстием пробоотборника и мембраной.

В качестве пористой мембраны выбрана пленка с размерами пор менее 0,2 мкм. Мембрана может быть выполнена из нескольких слоев пленки.

Применение ветрозащитного приспособления в виде пористой мембраны (например, с размерами пор менее 0,2 мкм) позволяет снизить восприимчивость к изменению скорости ветра посредством формирования диффузионного потока отбираемого вещества в относительно тонком слое, разделяющем внешнею среду от среды, в которой создается диффузионный поток к сорбенту. В этом случае обеспечивается постоянство эффективного расстояния от границы начала диффузионного потока до поверхности сорбции, что необходимо для поддержания пропорциональности между скоростью поступления в пробоотборник и концентрацией отбираемого вещества в воздухе при изменении скорости ветра. Как следствие снижается погрешность определения концентрации в воздухе отбираемого вещества в условиях изменяющейся скорости ветра.

В виду высокого гидродинамического сопротивления для воздуха удельная пропускная способность такой мембраны сравнительно низкая. Поэтому для обеспечения набора требуемого количества пробы за время экспозиции площадь мембраны доведена до площади основания корпуса.

Применение дозирующего элемента, конструктивно выполненного в виде самостоятельного элемента, позволяет регулировать скорость поступления отбираемого вещества в пробоотборник в широком диапазоне с сохранением ветрозащитных характеристик устройства на постоянном уровне.

Ограничение расстояния от мембраны до входного отверстия пробоотборника в пределах от 0,1 до 0,3 части от диаметра мембраны позволяет сформировать приблизительно равномерное распределение концентрации отбираемого вещества по периметру отверстия в пробоотборник, что необходимо для равномерного распределения потока к поверхности сорбции внутри пассивного пробоотборника. Увеличение расстояния от мембраны более чем в 0,3 части от диаметра мембраны будет вызывать снижение скорости поступления в пробоотборник, что приведет к увеличению времени экспозиции или уменьшению количества пробы.

Размещение мембраны в основании корпуса позволяет использовать корпус, выполненный в виде перевернутой чаши, как средство защиты от атмосферных осадков.

Выполнение мембраны многослойной позволяет применять устройство в более широком диапазоне изменения скорости ветра.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства.

Устройство состоит из пассивного пробоотборника 1, содержащего сменный дозирующий элемент 8 корпуса 2 ветрозащитного устройства, включающего собственно мембрану 3 и каркас 4 для закрепления мембраны, в состав которого входит сетка 5, предназначенная для защиты мембраны от механических повреждений, узла крепления пробоотборника 6 и прокладки 7, предназначенной для герметизации каркаса ветрозащитного устройства.

Пассивное пробоотборное устройство работает следующим образом.

В узел крепления 6 устанавливается предварительно снаряженный сорбентом, пассивный пробоотборник 1. После чего через прокладку 7 устанавливается ветрозащитное приспособление, каркас 4 которого закрепляется винтами. В зависимости от типа отбираемого вещества из воздуха пробоотборник снаряжается соответствующим сорбентом. Так для отбора проб трития и его оксида применяется катализатор, обеспечивающий низкотемпературное окисление водорода. Для отбора паров воды используется синтетический цеолит или силикагель. Набор требуемого количества пробы для различного времени экспозиции в условиях изменения сезонной влажности обеспечивается посредством смены дозирующего элемента 8, расположенного в самом пассивном пробоотборнике 1. Для увеличения времени экспозиции устанавливается дозирующий элемент с меньшим проходным сечением. В процессе экспозиции происходит перенос отбираемого вещества из зоны высокой концентрации, образующейся у внутренней поверхности мембраны, в зону низкой концентрации, то есть в пробоотборник. При воздействии на пробоотборное устройство ветра, изменяющегося по скорости, в слое мембраны, благодаря малым размерам пор происходит гашение потоков воздуха и формирование диффузионного потока непосредственно за мембраной. Благодаря этому скорость поступления в пробоотборник 1 отбираемого вещества поддерживается пропорционально величине концентрации такового в окружающем воздухе. После завершения экспозиции, на ветрозащитный элемент 3 устанавливается герметизирующая транспортная крышка (на схеме не показана) и пробоотборное устройство доставляют в лабораторию для десорбции пробы из пробоотборника 1 и определении средней концентрации отбираемого вещества в воздухе за время экспозиции.

Примером конкретного исполнения может служить пассивное пробоотборное устройство для отбора проб оксида трития, выполненного согласно заявляемому устройству, в котором применен пробоотборник пассивный (1) с двумя входными отверстиями, в каждом из которых установлен сменный дозирующий элемент, выполненный в виде пластины с отверстием и расположенного от мембраны (4) на расстоянии 30 мм. В качестве мембраны использована пористая пленка с размерами пор 0,15 мкм. Диаметр мембраны выбран равным 200 мм.

Испытания, проведенные в полевых условиях, показали, что в условиях изменяющейся скорости ветра с максимальным значением до 5 м/с заявленное пробоотборное устройство обеспечивает коэффициент ветрозащиты на уровне 1,2, при этом по сравнению с принятым прототипом аналогичное количество пробы было получено за время экспозиции 0,8 суток. После выполнения термовакуумной десорбции с помощью градуировочного коэффициента, используемого дозирующего элемента, был проведен расчет средней концентрации НТО в воздухе за время экспозиции. Погрешность отбора пробы составила 9%. Таким образом, заявляемое пассивное пробоотборное устройство подтвердило заявляемый технический результат.

1. Пассивное пробоотборное устройство, содержащее пробоотборник, сменный дозирующий элемент, корпус и ветрозащитное приспособление, отличающееся тем, что сменный дозирующий элемент выполнен самостоятельным, а ветрозащитное приспособление выполнено в виде пористой мембраны, размещенной в основании корпуса и перекрывающей его, при этом пробоотборник расположен таким образом, что расстояние между входным отверстием пробоотборника и мембраной отвечает условию 0,1D<L<0,3D, где D - диаметр мембраны, L - расстояние между входным отверстием пробоотборника и мембраной.

2. Пассивное пробоотборное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве пористой мембраны выбрана пленка с размерами пор менее 0,2 мкм.

3. Пассивное пробоотборное устройство по п.2, отличающееся тем, что мембрана выполнена из нескольких слоев пленки.