Способ и устройство отбора проб воздуха для последующего анализа газообразных или аэрозольных примесей

Способ и устройство отбора проб воздуха для последующего анализа газообразных или аэрозольных примесей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно к подготовке образцов в газообразном состоянии.

Отбор проб - важнейшая часть процедуры определения примесей токсичных соединений в загрязненном воздухе. Существующие способы улавливания различных вредных веществ из воздуха сводятся к отбору загрязненного воздуха в контейнеры, абсорбции загрязняющих воздух примесей растворителем, вымораживанию примесей или поглощению их в трубках с сорбентом, а также концентрированию на фильтрах твердых или жидких аэрозолей.

Сорбция на твердых сорбентах - основной способ отбора проб, сочетающийся с концентрированием микропримесей токсичных веществ загрязненного воздуха. Техника пробоотбора на сорбенты заключается в аспирировании больших объемов воздуха через слой сорбента, обеспечивающего полное улавливание и концентрирование токсичной примеси воздуха. Пробоотборные трубки легко применять и транспортировать, такой метод пробоотбора легко сочетается с последующим проведением анализа спектральными, хроматографическими или электрохимическими методами.

Точность пробоотбора, основной фактор, определяющий точность анализа в целом, зависит от применяемых побудителей расхода и расходомерных устройств аспирационного средства.

В настоящее время известно много средств пробоотбора, стационарных и портативных, для обычной и взрывоопасной атмосферы, различающихся применяемыми побудителями расхода и устройствами измерения расхода, системами управления /Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. М.: Химия, 1991, с.67-75; Е.А.Перегуд, Д.О.Горелик. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Химия, 1981, с.18-35; SU 1716457, «Атоматизированный радиационный мониторинг окружающей среды в районе объекта, содержащего радиоактивные вещества», по кл. G01T 1/167, опубл. 28.02.1992; RU 22235985 С2, «Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды» по кл. G01N 1/22, опубл. 27.03.2004/.

Последние два изобретения являются ближайшими из аналогов предлагаемых способа и устройства, так как в автоматизированном радиационном мониторинге по SU 1716457, так же, как и в предлагаемом способе, осуществляют анализ паровой и аэрозольной составляющих исследуемого облака токсичного вещества путем аспирации через пробоотборные средства потока зараженного воздуха.

Предлагаемое устройство так же, как и устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды по RU 22235985, содержит пробоотборные средства, систему радиоуправляемых средств отбора проб зараженного воздуха и систему управления.

Несомненны достоинства способа и устройства:

- возможность непрерывного отбора воздуха с заданным объемным расходом;

- непрерывное измерение скорости аспирации;

- вычисление объема прокаченного воздуха;

- учет времени пробоотбора;

- наличие микропроцессорной системы управления работой прибора позволяет, при необходимости, делать резервное сохранение в памяти текущих параметров;

- высокая точность поддержания заданного расхода воздуха,

- возможность использования в местах отсутствия энергоснабжения благодаря автономному источнику питанию;

- наличие воздухозаборной насадки со сменным комплектом фильтров и поглотителей, что позволяет определять степень загрязненности воздушной среды газообразными и аэрозольными смесями различного состава.

При проверке, испытаниях или градуировке, например, перспективных дистанционных средств химического контроля токсичных примесей в воздухе возникает проблема создания и контроля изменения химического и фракционно-дисперсного состава облака аэрозолеобразующих составов и дымовых смесей во времени под влиянием внешних природных факторов. Сам контроль осуществляется в лаборатории известными методами, пригодными для анализа исследуемого вещества, а для отбора проб применяют известные аспирационные средства отбора. Для обеспечения безопасности персонала осуществляют отбор проб паров и аэрозолей загрязненного воздуха, используют дистанционное радиоуправление процессом отбора проб.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа и устройства отбора проб воздуха для последующего анализа как газообразных, так и аэрозольных примесей широкого спектра веществ с дистанционным управлением процессом отбора при сохранении всех преимуществ ближайшего из аналогов.

Автоматическое включение в действие нужного аспиратора в заданный момент времени и в определенной последовательности позволит обеспечить безопасность персонала, осуществляющего отбор проб зараженного воздуха при проведении эксперимента.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе исследования изменения во времени химического и фракционно-дисперсного состава аэрозольного облака токсичных веществ с дистанционным управлением отбором проб воздуха, при котором осуществляют анализ паровой и аэрозольной составляющих исследуемого облака токсичного вещества путем аспирации через пробоотборные средства потока зараженного воздуха, согласно изобретению используют многокомандный модуль радиоуправления, находящийся на удалении от пробоотборных средств, которые используют для отбора суммарного количества аэрозольного облака, для отбора его фракционно-дисперсного состава и отбора его паровой составляющей, находящихся на удалении друг от друга и каждое из которые имеет радиоприемник со своим закодированным командным сигналом, принимающий управляющий сигнал от модуля радиуправления и срабатывающий при отборе соответствующей пробы при получении своего закодированного командного сигнала.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве для отбора проб зараженного воздуха при исследовании изменения во времени химического и фракционно-дисперсного состава аэрозольного облака токсичных веществ для последующего анализа отобранных проб, содержащем пробоотборные средства, систему радиоуправлямых средств отбора проб зараженного воздуха и систему управления, согласно изобретению система радиоуправляемых средств отбора проб выполнена в виде многокомандного модуля радиоуправления, находящегося на удалении от пробоотборных средств, каждое из пробоотборных средств расположено на расстоянии друг от друга и снабжено радиоприемником со своим закодированным командным сигналом, принимающим управляющий сигнал от модуля радиоуправления и срабатывающим при отборе соответствующей пробы при получении своего закодированного командного сигнала, причем вход системы управления через реле соединен с выходом приемника.

Радиопередатчик и радиоприемник снабжены телескопическими антеннами длиной 1,1...1,3 м. Для обеспечения полифункциональности по использованию средств отбора при исследовании широкого спектра веществ пробоотборное устройство имеет комплект сменных воздухозаборных насадок с входным отверстием разного диаметра.

Для практического осуществления заявляемых способа и конструкции был выбран переносной пробоотборник воздуха ПВП-4А. Структурная схема пробоотборника ПВП-4А включает в себя нагнетатель воздуха (турбинный или ротационный), вихревой датчик расхода воздуха, устройство электропитания пробоотборника с батареей аккумуляторов, воздухозаборную насадку со сменным комплектом фильтров и поглотителей с активированным углем, микропроцессорную систему управления работой прибора и индикации основных параметров (расхода, суммарного объема, времени).

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема заявляемой конструкции, обеспечивающей дистанционное управление процессом пробоотбора.

Дистанционное управление осуществляется по каналу радиосвязи с использованием следующих модулей: радиопередатчик 1, GP 831 ТВ, работающий на частоте 28 МГц, или многокомандный модуль радиопередачи; радиоприемник 2, GP 318 RC. Оба модуля имеют антенны, присоединенные к контактам 3. Для питания передатчика используется химический источник тока 4 напряжением 9 вольт. Электропитание приемника осуществляется от общего с аспирационным устройством химического источника тока (12 вольт) через стабилизатор напряжения на 6 вольт, выполненный на микросхеме 5 (КР142ЕН5Б) и конденсаторах C1, C2. Управляющий сигнал от радиопередатчика, удаленного от пробоотборного устройства, принимает радиоприемник. Поскольку ток, коммутируемый приемником, недостаточен для включения аспирационного устройства, управление последним осуществляется через реле 6 марки РЭС 55А. Диод 7 (Д220) предохраняет схему приемника от бросков напряжения. Управление пробоотборником 9 осуществляется приемником через группу контактов 8 реле 6. Включение передатчика и управление аспирационным устройством осуществляется включателем 10.

В таблице 1 приведены данные по оптимизации антенны для обеспечения максимальной дальности надежного приема сигнала от передатчика.

В качестве оптимального варианта была выбрана штыревая телескопическая антенна длиной 1,1...1,3 м, обеспечивающая максимальную дальность надежного приема сигнала передатчика.

Таблица 1. Данные по оптимизации антенны
Характеристика антенны	Длина антенны, м	Дальность приема,м	Примечание
Штатная антенна для модулей GP 831 ТВ и GP 318 RC	0,2...0,3	Не более 10
Штыревая телескопическая антенна	1,1...1,3	Не более 300	Устойчивая радиосвязь
Штыревая телескопическая антенна	1,5...2,0	300...400	Ухудшение эксплуатационных характеристик, снижение помехозащищенности, увеличение вероятности ложного срабатывания пробоотборника

Для расширения функциональных возможностей пробоотборного устройства разработаны сменные воздухозаборные насадки с входным отверстием диаметром 14 и 27 мм, фиг.2:

- воздухозаборная насадка малого диаметра предназначена для подсоединения с использованием гибкого шланга пробоотборной трубки с твердым сорбентом (для улавливания газообразных примесей воздуха) с объемной скоростью прососа 1...10 дм³/мин;

- насадка большего диаметра предназначена для подсоединения к импактору при необходимости исследования фракционно-дисперсного состава аэрозолей с объемной скоростью прососа 10...20 дм³/мин (диаметр входного отверстия рассчитан с учетом производительности турбинного нагнетателя воздуха и необходимой линейной скорости потока в импакторе, обеспечивающей инерционное осаждение частиц аэрозоля на пластинах импактора). Насадка большего диаметра также предназначена для подсоединения с использованием гибкого шланга держателей фильтров типа АФА (для улавливания аэрозольных примесей воздуха) с объемной скоростью прососа 20...150 дм³/мин. Практическая реализация заявляемых способа и конструкции позволяет осуществлять дистанционный отбор проб воздуха в заданном режиме на фильтр для определения суммарного количества аэрозоля, на импактор при оценке фракционно-дисперсного состава аэрозоля или на пробоотборную трубку для анализа паровой составляющей зараженного воздуха. Это снижает уровень риска персонала, осуществляющего пробоотбор воздуха, зараженного токсичными химикатами при контроле нештатных аварийных ситуаций.

При этом возможно дистанционное управление несколькими пробоотборниками, удаленными друг от друга и находящимися в зоне приема антенн на расстоянии до 300 м. Применение однокомандного радиопередатчика позволяет осуществлять одновременное включение одним оператором нескольких пробоотборных устройств, удаленных друг от друга, что практически невозможно осуществить при ручном управлении отбором. Применяя многокомандный модуль радиоуправления и пробоотборные устройства с приемниками, настроенными на один из командных сигналов передатчика, можно осуществлять отбор проб воздуха несколькими пробоотборниками, удаленными друг от друга, в разное для каждого пробоотборника время одним оператором.

Возможна автоматизация системы управления пробоотбором путем использования компьютера, в память которого заносят различные программы осуществления автоматического сканирования точек отбора проб, каждая из которых может быть реализована по команде оператора.

Пример осуществления способа

Одной из задач при проведении испытаний перспективных аэрозолеобразующих составов и дымовых смесей является исследование химического состава и динамики изменения фракционно-дисперсного состава во времени под влиянием внешних природных факторов. При этом важным условием проведения эксперимента является обеспечение безопасности персонала, осуществляющего отбор проб паров и аэрозолей загрязненного воздуха.

Схема площадки для проведения комплексного эксперимента по изучению паровой и аэрозольной составляющей маскирующего облака изображена на фиг.3.

1. Для проведения полного анализа паровой и аэрозольной составляющей маскирующего облака, создаваемого генератором 8, в каждой точке отбора 1, 2 устанавливают по 3 пробоотборных устройства (фиг.3а). Одно предназначено для отбора суммарного количества аэрозоля на фильтр А, второе - для отбора парообразной составляющей пробы на пробоотборную трубку П, третье - для отбора на импактор Ф (для определение фракционно-дисперсного состава аэрозоля).

Радиопередатчик 3 устанавливают на безопасном удалении до 300 м. Сигнал радиопередатчика одинаковой частоты с радиоприемниками в пробоотборниках позволяет одновременно включать все три пробоотборника и производить отбор пробы в заранее заданном режиме для каждой воздухозаборной насадки. Время отбора выбирают с учетом предела обнаружения применяемых методик анализа.

2. Для исследования изменения, например, дисперсности аэрозоля маскирующего облака, создаваемого генератором 8, во времени через интервалы t=1, 5, 10 минут после его создания в каждой выбранной точке устанавливают по 3 пробоотборника по числу временных замеров с импакторами 4-6 (фиг.3б). В качестве передающего устройства, находящегося на безопасном удалении от точек пробоотбора, используют многокомандный модуль радиоуправления 7. Каждое из трех пробоотборных устройств принимает управляющий сигнал от передатчика, но срабатывает приемник только при получении своего закодированного командного сигнала. Этот сигнал и включает пробоотборник в необходимый момент времени.

В таблице 2 приведена сравнительная оценка способа отбора проб ближайшим из аналогов и заявляемого способа.

Таблица 2 Сравнительная оценка способа отбора проб ближайшим из аналогов и заявляемого способа
Возможности способов	Заявляемый способ	Ближайший из аналогов
1	2	3
Присутствие оператора при отборе проб воздуха	-	+
Отбор парообразных примесей для последующего анализа	+
Исследование дисперсного состава аэрозоля с помощью импактора	+	-
Степень риска при отборе проб воздуха, зараженного токсичными веществами	-	Велика даже в средствах защиты
Возможность одновременного включения нескольких удаленных друг от друга пробоотборников одним оператором	+	-
Возможность последовательного включения нескольких удаленных друг от друга пробоотборников в заданный момент времени одним оператором	+	-
Возможность автоматизации системы управления пробоотбором	+	-

Таким образом, разработанный способ и устройство позволяют проводить дистанционное управление процессом отбора проб воздуха, содержащего газообразные и аэрозольные примеси широкого спектра веществ, с сохранением всех преимуществ ближайших аналогов.

1. Способ исследования изменения во времени химического и фракционно-дисперсного состава аэрозольного облака токсичных веществ с дистанционным управленим отбором проб воздуха, при котором осуществляют анализ паровой и аэрозольной составляющих исследуемого облака токсичного вещества путем аспирации через пробоотборные средства потока зараженного воздуха, отличающийся тем, что используют многокомандный модуль радиоуправления, находящийся на удалении от пробоотборных средств, которые используют для отбора суммарного количества аэрозольного облака, для отбора его фракционно-дисперсного состава и отбора его паровой составляющей, находящихся на удалении друг от друга, и каждое из которых имеет радиоприемник со своим закодированным командным сигналом, принимающий управляющий сигнал от модуля радиоуправления и срабатывающий при отборе соответствующей пробы при получении своего закодированного командного сигнала.

2. Устройство для отбора проб зараженного воздуха при исследовании изменения во времени химического и фракционно-дисперсного состава аэрозольного облака токсичных веществ для последующего анализа отобранных проб, содержащее пробоотборные средства, систему радиоуправляемых средств отбора проб зараженного воздуха и систему управления, отличающееся тем, что система радиоуправляемых средств отбора проб выполнена в виде многокомандного модуля радиоуправления, находящегося на удалении от пробоотборных средств, каждое из пробоотборных средств расположено на расстоянии друг от друга и снабжено радиоприемником со своим закодированным командным сигналом, принимающим управляющий сигнал от модуля радиоуправления и срабатывающим при отборе соответствующей пробы при получении своего закодированного командного сигнала, причем вход системы управления через реле соединен с выходом радиоприемника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиопередатчик и радиоприемник снабжены телескопическими антеннами длиной 1,1-1,3 м.

4. Устройство по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что для обеспечения полифункциональности по использованию средств отбора при исследовании широкого спектра веществ пробоотборное устройство имеет комплект сменных воздухозаборных насадок с входным отверстием разного диаметра.