RU100263U1

RU100263U1 - DEVICE FOR RESEARCH OF NATURAL RESPONSE IN AIR

Info

Publication number: RU100263U1
Application number: RU2010128365/28U
Authority: RU
Inventors: Кирилл Сергеевич Голохваст; Александр Нефедович Гульков; Александр Михайлович Паничев
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2010-12-10

Abstract

Устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный узел, средство, фиксирующее природные взвеси в фиксирующей среде, и регистрирующую аппаратуру, выполненную с возможностью измерения параметров природных взвесей в фиксирующей среде, отличающееся тем, что приемный узел выполнен в виде воронки для сбора природных осадков, в качестве средства, фиксирующего природные взвеси в фиксирующей среде, использована накопительная емкость, выполненная с возможностью перемешивания в ней накопленных природных осадков, которая посредством дозатора связана с измерительной кюветой регистрирующей аппаратуры, в качестве которой использован лазерный анализатор частиц, выполненный с возможностью выявления частиц от нанометрового до миллиметрового диапазона. A device for the study of natural suspensions in the air, containing a receiving unit, a means for fixing natural suspensions in a fixing medium, and a recording apparatus configured to measure the parameters of natural suspensions in a fixing medium, characterized in that the receiving unit is made in the form of a funnel for collecting natural precipitation , as a means of fixing natural suspensions in a fixing medium, a storage tank is used, made with the possibility of mixing in it the accumulated natural sediments, which Paradise through a dispenser is connected to a measuring cell of recording equipment, which is used as a laser particle analyzer, configured to detect particles from nanometer to millimeter range.

Description

Полезная модель относится к средствам для определения загрязненности воздуха при санитарно-гигиеническом контроле воздуха рабочей зоны производственных помещений, очистных систем промышленных производств и экологическом мониторинге загрязнения атмосферы.The utility model relates to means for determining air pollution during sanitary-hygienic control of the air of the working area of industrial premises, treatment systems of industrial plants and environmental monitoring of air pollution.

Известно устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный патрубок, камеру, фильтр, регистрирующую аппаратуру, при этом с одной стороны сообщен с камерой, внутри которого установлен чувствительный элемент датчика диэлектрической проницаемости среды (см. RU 2147739, МПК G01N 15/02, 2000).A device for the study of natural suspensions in the air, containing a receiving pipe, a camera, a filter, recording equipment, while on the one hand is in communication with a camera inside which a sensing element of the dielectric constant of the medium is installed (see RU 2147739, IPC G01N 15/02, 2000).

К недостаткам известного решения, относится значительная погрешность измерения. Кроме того, не обеспечивается выявление крупности загрязнений и недостаточна достоверность выявления тонких взвесей, которые «уходят» в массу фильтрующего материала.The disadvantages of the known solutions include a significant measurement error. In addition, the identification of the size of contaminants is not ensured and the reliability of the detection of thin suspensions that "go" to the mass of filtering material is insufficient.

Известно также устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный узел, среду, фиксирующую природные взвеси и регистрирующую аппаратуру, выполненную с возможностью измерения параметров природных взвесей в фиксирующей среде (ISO 10473: 2000(Е), р.4-5, fig.1.). При этом, устройство содержит насос и патрубки для пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, преобразователь плотности осажденной пыли, включающий источник и приемник β-излучения, а также арифметический блок для вычисления искомой концентрации с учетом объема пропущенного воздуха. Устройство обеспечивает определение массовой концентрации пыли в воздухе При этом в процессе измерений пыль, находящуюся в воздухе, осаждают на фильтрующем элементе и определяют поглощение β-излучения на нем до и после осаждения пыли.It is also known a device for the study of natural suspensions in the air, containing a receiving unit, a medium fixing natural suspensions and recording equipment made with the possibility of measuring the parameters of natural suspensions in a fixing medium (ISO 10473: 2000 (E), p. 4-5, fig. one.). Moreover, the device includes a pump and nozzles for passing the test air through the filter element, a precipitated dust density transducer, including a β-radiation source and receiver, as well as an arithmetic unit for calculating the desired concentration taking into account the volume of air passed through. The device provides a determination of the mass concentration of dust in the air. In this process, the dust in the air is deposited on the filter element and the absorption of β radiation on it is determined before and after dust deposition.

К недостаткам известного решения, относится отсутствие возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности. Кроме того, велика погрешность измерения (из-за нестабильности преобразователя плотности пыли за время пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, достигающей в ряде случаев нескольких десятков часов. Нестабильность обусловлена изменением плотности воздуха в зазоре между источником и приемником β-излучения из-за изменения температуры, влажности и давления и флуктуациями интенсивности источника β-излучения).The disadvantages of the known solutions include the lack of the ability to assess the particle size distribution of contaminants and identify contaminants of nanometer size. In addition, the measurement error is large (due to the instability of the dust density transducer during the passage of the test air through the filter element, which in some cases reaches several tens of hours. The instability is due to a change in the air density in the gap between the source and receiver of β radiation due to temperature changes , humidity and pressure, and fluctuations in the intensity of the β-radiation source).

Задачей полезной модели является обеспечение возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.The objective of the utility model is to provide an opportunity to assess the particle size distribution of contaminants and identify contaminants of nanometer size.

Технический результат - обеспечение возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности. Кроме того повышается точность измерений и упрощается процесс измерения.The technical result is the provision of an opportunity to assess the particle size distribution of contaminants and identify contaminants of nanometer size. In addition, the measurement accuracy is improved and the measurement process is simplified.

Для решения поставленной задачи, устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный узел, средство, фиксирующее природные взвеси в фиксирующей среде и регистрирующую аппаратуру, выполненную с возможностью измерения параметров природных взвесей в фиксирующей среде, отличается тем, что приемный узел выполнен в виде воронки для сбора природных осадков, в качестве средства фиксирующего природные взвеси в фиксирующей среде использована накопительная емкость, выполненная с возможностью перемешивания в ней накопленных природных осадков, которая посредством дозатора связана с измерительной кюветой регистрирующей аппаратуры, в качестве которой использован лазерный анализатор частиц, выполненный с возможностью выявления частиц от нанометрового до миллиметрового диапазона.To solve the problem, a device for studying natural suspensions in the air, containing a receiving unit, a means for fixing natural suspensions in a fixing medium and recording equipment configured to measure the parameters of natural suspensions in a fixing medium, is characterized in that the receiving unit is made in the form of a funnel To collect natural precipitation, as a means of fixing natural suspensions in a fixing medium, a storage tank made with the possibility of mixing of natural precipitation, which is connected through a dispenser to a measuring cell of recording equipment, which is used as a laser particle analyzer, configured to detect particles from nanometer to millimeter range.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию “новизна”.A comparative analysis of the features of the claimed solution with the signs of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of “novelty”.

Результаты поиска показали, что заявленная полезная модель не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, при этом совокупность ее признаков обеспечивает возможность оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.The search results showed that the claimed utility model does not follow explicitly from the prior art for a specialist, while the totality of its features makes it possible to evaluate the particle size distribution of contaminants and to identify contaminants of nanometer size.

На фиг.1 показана схема заявленного устройства.Figure 1 shows a diagram of the claimed device.

На чертежах показаны воронка 1, накопительная емкость 2, снабженная лопастной мешалкой 3 и нагревателем 4, дозатор 5, измерительная кювета 6, регистрирующая аппаратура 7, снег 8, жидкая масса осадков 9.The drawings show a funnel 1, a storage tank 2, equipped with a paddle mixer 3 and a heater 4, a dispenser 5, a measuring cuvette 6, recording equipment 7, snow 8, a liquid mass of precipitation 9.

Воронка 1 выполнена по типу аналогичных узлов дождемеров (плювиометров), приборов, используемых для измерения количества осадков (дождя и снега).Funnel 1 is made according to the type of similar nodes of rain gauges (pluviometers), instruments used to measure the amount of precipitation (rain and snow).

Поскольку объемные характеристики осадков не фиксируются накопительная емкость 2 может не иметь никаких мерных рисок.Since the volumetric characteristics of precipitation are not recorded, storage tank 2 may not have any measured risks.

Если прибор предназначен для работы только с дождевыми осадками и методика измерений предусматривает отбор малых порций материала, накопительная емкость 2 может быть лишена лопастной мешалки 3 и нагревателя 4, при этом в качестве ее может использоваться любая посуда соответствующего объема.If the device is designed to work only with rainfall and the measurement procedure involves the selection of small portions of material, the storage tank 2 may be devoid of a paddle mixer 3 and a heater 4, while any dishes of the appropriate volume can be used as it.

Если прибор предназначен для работы также и со снегом, а методика измерений предусматривает отбор больших порций материала, накопительную емкость 2 целесообразно снабдить лопастной мешалкой 3 и нагревателем 4 (что ускорит процесс таяния снега и, тем самым, подготовки проб к анализу).If the device is designed to work also with snow, and the measurement procedure involves the selection of large portions of the material, it is advisable to equip the storage tank 2 with a paddle mixer 3 and a heater 4 (which will speed up the process of snow melting and, thereby, preparing samples for analysis).

В первом случае, в качестве дозатора может использоваться любая мерная емкость объем которой меньше объема измерительной кюветы 6 регистрирующей аппаратуры 7.In the first case, any measured capacity can be used as a dispenser, the volume of which is less than the volume of the measuring cell 6 of the recording equipment 7.

Во втором случае, в качестве дозатора может использоваться кран, размещаемый в водопроводе 10 связывающем нижнюю часть накопительная емкость 2 и полость измерительной кюветы 6 регистрирующей аппаратуры 7.In the second case, a tap placed in the water supply system 10 connecting the lower part of the storage tank 2 and the cavity of the measuring cell 6 of the recording equipment 7 can be used as a dispenser.

В качестве регистрирующей аппаратуры 7 используют известный прибор - лазерный анализатор частиц, например, типа Fritch Analysette 22 Nano Tec (Fritch).As the recording apparatus 7, a known device is used - a laser particle analyzer, for example, of the Fritch Analysette 22 Nano Tec (Fritch) type.

Этот прибор имеет диапазон измерений от 0,01 мкм до 2000 мкм. Принцип действия прибора базируется на лазерной дифракции (метод, основанный на зависимости угла рассеяния света от их размеров - чем больше размер, тем меньше рассеяние). Сквозь кювету с исследуемым образцом проходит лазерный луч, интенсивность рассеянного света снимается с фоточувствительного детектора. Расчеты ведутся по теории Фраунгофера. В качестве альтернативного метода для исследования частиц, размеры которых сравнимы с длиной волны лазера, используется метод Ми. Для расширения возможности определения размеров частиц вплоть до нанодиапазона требуется детектирование рассеянного назад света. Чтобы использовать для измерения также обратное рассеяние, используется второй лазерный пучок. Он дополнительно облучает помещенную непосредственно перед детектором пробу через микроотверстие в центре детектора последовательно сзади и, тем самым, расширяет диапазон измерений до нижнего предела измерений порядка 0,01 мкм. Для целей заявленного решения используют блок мокрого диспергирования прибора.This device has a measuring range from 0.01 microns to 2000 microns. The principle of operation of the device is based on laser diffraction (a method based on the dependence of the angle of light scattering on their sizes - the larger the size, the less scattering). A laser beam passes through the cuvette with the test sample, and the scattered light intensity is removed from the photosensitive detector. The calculations are carried out according to the Fraunhofer theory. As an alternative method for studying particles whose sizes are comparable with the laser wavelength, the Mie method is used. To expand the ability to determine particle sizes up to the nanoscale, detection of backscattered light is required. In order to also use backscattering for measurement, a second laser beam is used. It additionally irradiates the sample placed directly in front of the detector through the micro-hole in the center of the detector sequentially from behind and, thereby, extends the measurement range to the lower limit of measurements of the order of 0.01 μm. For the purposes of the claimed solution, a wet dispersion unit of the device is used.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

Осадки собирают посредством воронки 1,которая их направляет в накопительную емкость 2. Если речь идет о снеге 8, то осадки растапливают посредством нагревателя 4 (или выдерживают их до таяния снега 8 в теплом помещении, изолировав емкость 2 от попадания пыли из атмосферы помещения). Далее осадки перемешивают для достижения равномерного распределения твердых частиц взвеси по объему жидкости (либо с использованием лопастной мешалки 3 либо миксером и т.п.). Далее отбирают 40 мл жидкой массы осадков 9, которую перемещают в измерительную кювету 6 где анализируют на лазерном анализаторе частиц (на регистрирующей аппаратуре 7). снег 8, жидкая масса осадков 9.Precipitation is collected by means of a funnel 1, which sends them to storage tank 2. If it comes to snow 8, then the precipitation is melted by means of a heater 4 (or they are kept until snow 8 melts in a warm room, isolating the tank 2 from dust from the atmosphere of the room). Next, the precipitates are mixed to achieve an even distribution of suspended solids over the liquid volume (either using a paddle mixer 3 or a mixer, etc.). Next, 40 ml of the liquid mass of precipitation 9 is taken, which is transferred to a measuring cell 6 where it is analyzed on a laser particle analyzer (on recording equipment 7). snow 8, liquid mass of precipitation 9.

При этом измеряют размеры частиц их форму, а также их распределение по размерам.In this case, the particle sizes and their shape, as well as their size distribution, are measured.

Пример конкретного использования устройства.An example of a specific use of the device.

Пробы снега (N=5) собирались в 6 районах г.Владивостока: Первая речка. Вторая речка. Пушкинская, Эгершельд, Садгород и Емар (в нижеприводимых таблицах, обозначены буквами А, Б, В, Г, Д и Е).Snow samples (N = 5) were collected in 6 districts of the city of Vladivostok: First River. The second river. Pushkinskaya, Egersheld, Sadgorod and Emar (in the tables below, indicated by the letters A, B, C, D, D and E).

Снег собирался в момент снегопада в марте 2010 года в г.Владивосток, Приморский край. Брали верхний слой (5-10 см), только что выпавшего снега, для исключения вторичного загрязнения антропогенными аэрозолями и помещали в стерильные контейнеры объемом 1 л. Затем из каждого образца, растаявшего снега набирали 40 мл и анализировали на лазерном анализаторе частиц Fritsch Analysette 22 Nano Tec (Fritsch), обеспечивающем возможность при анализе природных взвесей четко выделять классы частиц размером от 1) 0,1 до 1 мкм; 2) от 1 до 10; 3) от 10 до 50; 4) от 50 до 100 и 5) более 100 мкм. Результаты разделения по фракциям и физико-техническим характеристикам частиц взвесей, обнаруженных в снеге, приведены ниже в таблицах 1 и 2.Snow was collected at the time of the snowfall in March 2010 in Vladivostok, Primorsky Krai. The top layer (5-10 cm) of freshly fallen snow was taken to exclude secondary pollution by anthropogenic aerosols and placed in sterile containers of 1 l. Then, 40 ml were collected from each sample of melted snow and analyzed on a Fritsch Analysette 22 Nano Tec (Fritsch) laser particle analyzer, which makes it possible to clearly distinguish particle classes with sizes from 1) 0.1 to 1 μm when analyzing natural suspensions; 2) from 1 to 10; 3) from 10 to 50; 4) from 50 to 100 and 5) more than 100 microns. The results of the separation by fractions and physico-technical characteristics of suspended particles found in the snow are shown below in tables 1 and 2.

Таблица 1Table 1 Распределение частиц в снеге по фракциямThe distribution of particles in the snow fractions ФракцияFraction Район городаDistrict of the city АBUT БB ВAT ГG ДD ЕE 1one 150-300 нм/ 10%150-300 nm / 10% 22 2-3 мкм / 2-3%2-3 μm / 2-3% 4-8 мкм / 20%4-8 microns / 20% 2-3 мкм / 5%2-3 μm / 5% 2-5 мкм / 2%2-5 microns / 2% 5-10 мкм / 5%5-10 μm / 5% 6-10 мкм / 2%6-10 microns / 2%

5-7 мкм / 15-17%5-7 microns / 15-17% 4-8 мкм / 65%4-8 μm / 65% 33 12-20 мкм/ 20-25%12-20 microns / 20-25% 30-40 мкм / 35%30-40 microns / 35% 30-45 мкм / 30%30-45 μm / 30% 15-20 мкм/ 2%15-20 microns / 2% 25-35 мкм /10%25-35 μm / 10% 40-50 мкм / 50%40-50 microns / 50% 4four 40-70 мкм / 55%40-70 μm / 55% 40-50 мкм / 2%40-50 microns / 2% 55 200-450 мкм / 94%200-450 μm / 94% 400-1000 мкм / 85%400-1000 μm / 85% 300-500 мкм / 95%300-500 μm / 95% 600-1000 мкм / 3%600-1000 μm / 3% Таблица 2table 2 Физико-технические параметры частиц, содержащихся в пробах снегаPhysicotechnical parameters of particles contained in snow samples ПараметрыOptions Район городаDistrict of the city АBUT БB ВAT ГG ДD ЕE Средний арифметический диаметр, мкмArithmetic average diameter, microns 21,5621.56 36,45936,459 15,07315,073 340,776340,776 727,179727,179 398,402398,402 Средний геометрический диаметр, мкмThe geometric mean diameter, microns 12,48712,487 28,5528.55 9,9999,999 317,878317,878 452,337452,337 382,43382.43 Квадратная площадь средн. диаметра, мкмSquare average diameter, microns 25,68325,683 40,75640,756 20,18420,184 346,506346,506 792,73792.73 412,519412,519 Средний гармонический диаметр, мкмThe average harmonic diameter, microns 1,9021,902 18,1818.18 7,2647,264 167,39167.39 70,52570,525 297,902297,902 Форма (мода), мкмShape (mode), microns 34,09334,093 53,25453,254 5,5185,518 354,421354,421 864,755864,755 367,841367,841 Медиана, мкмMedian, microns 16,12416,124 33,41333,413 6,016.01 350,539350,539 837,667837,667 378,273378,273 Средний медианный показательAverage median 1,3371,337 1,0911,091 2,5082,508 0,9720.972 0,8680.868 1,0531,053 Отклонение, мкм² Deviation, microns ² 196,775196,775 335,117335,117 182,017182,017 3977,9393977,939 100637,5100,637.5 11563,311563.3 Среднеквадратичное отклонение, мкмStandard deviation, microns 14,02814,028 18,30618,306 13,49113,491 63,07163,071 317,234317,234 107,533107,533 Среднее отклонение, мкмThe average deviation, microns 13,27813,278 15,715.7 12,65112,651 29,3529.35 226,483226,483 57,06957,069 Коэффициент отклонения, %Deviation coefficient,% 65,06565,065 50,2150.21 89,50889,508 18,50818,508 43,62543,625 26,99126,991 АссиметрияAsymmetry -0,16-0.16 -0,55-0.55 0,680.68 -4,12-4.12 -1,66-1.66 2,582,58 Коэффициент эксцессаExcess ratio -1,67-1.67 -1,03-1.03 -1,48-1.48 18,0918.09 1,051.05 9,849.84 ИнтервалInterval 2,162.16 1,51,5 55 0,180.18 1,121.12 0,30.3 ОднородностьUniformity 0,8150.815 0,4660.466 1,6581,658 0,080.08 0,2170.217 0,1420.142 Удельная поверхность, см²/см³ Specific surface cm ² / cm ³ 31550,231550.2 3300,43300,4 8259,428259.42 358,44358.44 850,76850.76 201,41201.41 Удельная поверхность, cм²/гSpecific surface, cm ² / g 15775,115775.1 1650,21650.2 4129,714129.71 179,22179.22 425,38425.38 100,7100.7

Полученные данные, хотя и носят предварительный характер, позволяют провести первичное районирование г.Владивостока по результатам анализа атмосферных взвесей.The data obtained, although they are preliminary, make it possible to carry out primary zoning of the city of Vladivostok according to the results of an analysis of atmospheric suspensions.

Наиболее опасными с точки зрения имеющихся в литературе данных, можно считать частицы размером от 50-100 нм и до 1 мкм. Они были обнаружены в районе «Первая речка». Мелкодисперсные фракции, вторые по потенциальной опасности, в значимых концентрациях (более 20% от общего числа частиц) от 1 до 10 мкм обнаруживались в районах «Вторая речка», Эгершельд. Частицы нано- и микродиапозона относятся скорее всего к частицам сажи.The most dangerous from the point of view of the data available in the literature, particles with sizes from 50-100 nm and up to 1 micron can be considered. They were discovered in the area of "First River". Finely dispersed fractions, the second by potential hazard, in significant concentrations (more than 20% of the total number of particles) from 1 to 10 microns were found in the areas of the Second River, Egersheld. Particles of nano- and microdiapozone most likely relate to soot particles.

Более крупные частицы (от 10 до 100 мкм) также имеют антропогенное происхождение - это сажа, фрагменты асфальта и автомобильная резина. Частицы более 100 мкм (вплоть до мм) представляют из себя частицы грунта и асфальтового покрытия.Larger particles (from 10 to 100 microns) are also of anthropogenic origin - these are soot, fragments of asphalt and automobile rubber. Particles larger than 100 microns (up to mm) are particles of soil and asphalt pavement.

Данные реальных измерений подтверждают возможность организации мониторинга состояния воздушной среды в районах местоположений предприятий продукция которых или технологический цикл предполагают получение (использование) наноразмерных материалов.Real measurement data confirm the possibility of organizing monitoring of the state of the air in the areas of enterprise locations whose products or the technological cycle involve the receipt (use) of nanoscale materials.

Claims

A device for studying natural suspensions in the air, containing a receiving unit, a means for fixing natural suspensions in a fixing medium, and recording equipment configured to measure the parameters of natural suspensions in a fixing medium, characterized in that the receiving unit is made in the form of a funnel for collecting natural precipitation , as a means of fixing natural suspensions in a fixing medium, a storage tank is used, made with the possibility of mixing in it the accumulated natural sediments, which Paradise through a dispenser is connected to a measuring cell of recording equipment, which is used as a laser particle analyzer, configured to detect particles from nanometer to millimeter range.