RU182124U1

RU182124U1 - DEVICE FOR MEASURING GAS AND DUST CONTENT IN ATMOSPHERE

Info

Publication number: RU182124U1
Application number: RU2018119516U
Authority: RU
Inventors: Андрей Евгеньевич Варфоломеев; Андрей Александрович Сабельников; Игорь Николаевич Андронов; Виталий Викторович Пименов; Сергей Евгеньевич Сальников; Александр Сергеевич Чепурнов; Николай Пантелеевич Зарецкий
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2018-08-03

Abstract

Использование: для определения содержания газовой и пылевой компонент в аэрозольных облаках и запыленной атмосфере. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для измерения содержания газов и пыли в атмосфере содержит емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, при этом электроды выполнены газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газочувствительный сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки. Технический результат - обеспечение возможности одновременного определения раздельного содержания газовой и пылевой компонент в атмосфере, упрощения и уменьшения времени измерения содержания этих компонентов в контролируемом газе. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.Usage: to determine the content of gas and dust components in aerosol clouds and dusty atmosphere. The essence of the utility model is that a device for measuring the content of gases and dust in the atmosphere contains a capacitive cell with two electrodes connected to measuring equipment, while the electrodes are gas-permeable with a filter element located between them, while one of the electrodes has the shape of a coil with holes and an internal gas chamber, inside of which there is a gas-sensitive sensor connected to measuring equipment, and the second electrode is made in the form of a grid installed coil. The technical result is the ability to simultaneously determine the separate content of the gas and dust components in the atmosphere, simplify and reduce the time to measure the content of these components in the controlled gas. 2 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения раздельного содержания газовой и пылевой компонент в аэрозольных облаках и запыленной атмосфере, где в качестве пылевой компоненты также могут выступать различные аэрозоли, капли жидкости или различные частицы (пыль, дым, туман) в воздухе. Также предлагаемое устройство может быть использовано в области экологии для мониторинга окружающей среды, контроля загазованности и запыленности воздушных сред и потоков, в частности для контроля уровня содержания различных вредных газов и аэрозолей (пыль, дым, туман) в воздухе, для измерений и исследований в области физики аэрозолей и метеорологии, при изучении образования и эволюции аэрозольных облаков.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to determine the separate content of gas and dust components in aerosol clouds and a dusty atmosphere, where various aerosols, liquid droplets or various particles (dust, smoke, fog) can also act as a dust component in the air. Also, the proposed device can be used in the field of ecology to monitor the environment, control the gas and dust of air and flows, in particular to control the level of various harmful gases and aerosols (dust, smoke, fog) in the air, for measurements and research in the field aerosol physics and meteorology, in the study of the formation and evolution of aerosol clouds.

Известны различные методы и устройства для определения в реальном масштабе времени запыленности атмосферы и содержания различных примесей в воздухе, например, ионизационные, оптические и емкостные датчики, описанные в книге: Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю., Технологические измерения и приборы, М., Высш. шк., 1989. Недостатками этих устройств являются сложная и дорогая конструкция, ограниченный диапазон измеряемых концентраций аэрозолей, сложные процедуры калибровки и проведения анализов и вследствие этого ограниченность применения. В частности, принцип работы емкостных датчиков основан на диэлькометрическом методе: диэлектрическая проницаемость смеси, заполняющей емкостный датчик, монотонно (в первом приближении - линейно) возрастает с увеличением концентрации детектируемой примеси, и соответственно растет емкость конденсатора. Такие емкостные датчики успешно применяются для измерения влажности жидких топлив. Измерения различных примесей в атмосфере подобным методом встречается с большими трудностями, т.к. чувствительность воздушного конденсатора к изменению содержания примесей в воздухе очень низка из-за малых изменений емкости. Например, для воды, которая обладает большой статической диэлектрической проницаемостью ~80, при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 100% его диэлектрическая проницаемость (при температуре 20°С и давлении 0,1 МПа) меняется в пределах от 1,00058 до 1,00064. Другие возможные примеси в атмосфере обладают, как правило, еще на порядок меньшими значениями диэлектрической проницаемости, чем вода.There are various methods and devices for real-time determination of atmospheric dust and the content of various impurities in the air, for example, ionization, optical and capacitive sensors described in the book: Farzan N.G., Ilyasov L.V., Azimzade A. Yu., Technological measurements and instruments, M., Higher. shk., 1989. The disadvantages of these devices are the complex and expensive design, the limited range of measured aerosol concentrations, complicated calibration and analysis procedures, and, consequently, the limited application. In particular, the principle of operation of capacitive sensors is based on the dielcometric method: the dielectric constant of the mixture filling the capacitive sensor monotonically (in the first approximation, linearly) increases with increasing concentration of the detected impurity, and accordingly the capacitance of the capacitor increases. Such capacitive sensors are successfully used to measure the moisture content of liquid fuels. Measurement of various impurities in the atmosphere by such a method is very difficult, because the sensitivity of the air condenser to changes in the content of impurities in the air is very low due to small changes in capacity. For example, for water, which has a large static dielectric constant of ~ 80, when the relative humidity of the air changes from 0 to 100%, its dielectric constant (at a temperature of 20 ° C and a pressure of 0.1 MPa) varies from 1,00058 to 1, 00064. Other possible impurities in the atmosphere, as a rule, possess an even lower order of magnitude dielectric constant than water.

Наиболее близким по принципу работы к предлагаемому является устройство для определения влажности газа, выбранное за прототип и описанное в статье "Емкостной первичный преобразователь влажности газа", Восточно-европейский журнал передовых технологий, 1/10, 49, 2011.The closest to the principle of operation to the proposed one is a device for determining gas humidity, selected for the prototype and described in the article "Capacitive primary transducer of gas humidity", East European Journal of Advanced Technologies, 1/10, 49, 2011.

Емкостной первичный преобразователь влажности газа состоит из двух систем пластинчатых электродов с нанесенным шелковым покрытием, закрепленных в измерительной камере и с помощью диэлектрических перемычек жестко закрепленных на внутренней поверхности двух диэлектрических колец, расположенных на разных концах системы электродов. Электроды емкостного преобразователя соединены с регистрирующей аппаратурой. В упомянутом устройстве поток влажного газа проходит через систему электродов, покрытых слоем шелковой изоляции, которая играет роль сорбента паров воды для увеличения чувствительности к влажности. Контролируемый газ во время движения проникает в микропоры диэлектрического сорбента из шелка. При изменении влажности газа происходит изменение равновесной влажности шелка, который является хорошим сорбентом влаги, а значит и его диэлектрической проницаемости. Изменение диэлектрической проницаемости шелка вызывает пропорциональное изменение емкости системы электродов, которое уже измеряется прибором. Основные недостатки известного технического решения заключаются в следующем:The capacitive primary gas moisture transducer consists of two systems of silk-coated plate electrodes fixed in the measuring chamber and with the help of dielectric jumpers rigidly fixed on the inner surface of two dielectric rings located at different ends of the electrode system. The electrodes of the capacitive transducer are connected to the recording equipment. In the aforementioned device, a stream of moist gas passes through a system of electrodes coated with a layer of silk insulation, which plays the role of a sorbent of water vapor to increase sensitivity to humidity. The controlled gas penetrates into the micropores of the dielectric sorbent from silk during movement. When the humidity of the gas changes, the equilibrium humidity of the silk changes, which is a good sorbent of moisture, and hence its dielectric constant. A change in the dielectric constant of silk causes a proportional change in the capacitance of the electrode system, which is already being measured by the device. The main disadvantages of the known technical solutions are as follows:

а) устройство не позволяет измерять концентрацию пылевой компоненты в воздухе;a) the device does not allow measuring the concentration of the dust component in the air;

б) устройство не позволяет измерять содержание других газовых примесей в воздухе, кроме влажности;b) the device does not allow measuring the content of other gas impurities in the air, except for humidity;

в) необходимость измерять малые изменения емкости усложняет процедуру проведения анализов, требует их усреднения, устранения шумов и помех электрического сигнала от емкостного датчика.c) the need to measure small changes in capacitance complicates the analysis procedure, requires their averaging, elimination of noise and interference of the electrical signal from the capacitive sensor.

г) необходимость установления равновесной влажности шелка требует значительного времени для проведения измерений.d) the need to establish the equilibrium moisture content of silk requires considerable time for measurements.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является одновременное определение содержания примесных газов и пыли в атмосфере, где в качестве пылевой компоненты могут выступать различные аэрозоли, капли жидкости или частицы веществ, которые могут обладать низкой диэлектрической проницаемостью, а в качестве газовой компоненты - примесный газ или пар, упрощение и уменьшение времени измерения содержания этих компонент.The problem to which the proposed utility model is directed is the simultaneous determination of the content of impurity gases and dust in the atmosphere, where various aerosols, liquid droplets or particles of substances that may have low dielectric constant may act as a dust component, and as a gas component impurity gas or steam, simplification and reduction of time for measuring the content of these components.

Технический результат заключается в возможности измерения содержания широкого спектра примесей в атмосфере, в том числе и их малых концентраций.The technical result consists in the possibility of measuring the content of a wide range of impurities in the atmosphere, including their low concentrations.

Для достижения технического результата предложено устройство для измерения содержания газов и пыли в атмосфере, содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, электроды выполнены газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газочувствительный сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки.To achieve a technical result, a device is proposed for measuring the content of gases and dust in the atmosphere, comprising a capacitive cell with two electrodes connected to measuring equipment, the electrodes are made gas permeable with a filter element located between them, and one of the electrodes has the form of a coil with holes and an internal gas a chamber inside which there is a gas-sensitive sensor connected to measuring equipment, and the second electrode is made in the form of a grid mounted externally to atushki.

При этом:Wherein:

- на выходе из газовой камеры может быть размещен побудитель расхода,- at the outlet of the gas chamber, a flow inducer can be placed,

- газочувствительный сенсор может быть выполнен на основе оптического или химического сенсоров.- gas-sensitive sensor can be made on the basis of optical or chemical sensors.

На фигуре приведено схематическое изображение предложенного устройства в случае, когда скорость внешнего потока воздуха равна нулю и для прокачки его установлен побудитель расхода. Емкостная ячейка образована двумя электродами - один электрод в виде металлической катушки 1 и второй электрод в виде газопроницаемой металлической сетки 2, навернутой на катушку. Между этими электродами расположен слой фильтрующего материала 3. Внутри металлической катушки 1 расположена полая газовая камера, в которую помещен газочувствительный сенсор 4. Электрод в виде металлической катушки 1 содержит отверстия для прохода отфильтрованного воздуха с примесью детектируемого газа или пара в газовую камеру. Благодаря такой конструкции, все электрическое поле между электродами сосредоточено внутри емкостной ячейки, что обеспечивает ее хорошую помехозащищенность и низкий уровень шумов емкостной ячейки.The figure shows a schematic representation of the proposed device in the case when the speed of the external air flow is zero and a flow inducer is installed for pumping it. The capacitive cell is formed by two electrodes - one electrode in the form of a metal coil 1 and the second electrode in the form of a gas-permeable metal grid 2, screwed onto the coil. A layer of filtering material 3 is located between these electrodes. Inside the metal coil 1 there is a hollow gas chamber into which the gas-sensitive sensor 4 is placed. The electrode in the form of a metal coil 1 contains openings for the passage of filtered air mixed with detectable gas or steam into the gas chamber. Thanks to this design, the entire electric field between the electrodes is concentrated inside the capacitive cell, which ensures its good noise immunity and low noise level of the capacitive cell.

В случае если скорость внешнего потока равна нулю, то газовая камера с расположенным в ней газочувствительным сенсором 4 соединена с побудителем расхода 5, например, насосом, для принудительной прокачки газа через устройство.If the external flow rate is zero, then the gas chamber with a gas-sensitive sensor 4 located in it is connected to a flow inducer 5, for example, a pump, for forcing gas through the device.

Электрический сигнал емкостной ячейки измеряют с помощью электронного блока 6, соединенного с электродом в виде металлической катушки Т и вторым газопроницаемым электродом в виде металлической сетки 2, а сигнал газочувствительного сенсора - с помощью электронного блока 7.The electrical signal of the capacitive cell is measured using an electronic unit 6 connected to the electrode in the form of a metal coil T and a second gas-permeable electrode in the form of a metal grid 2, and the signal of the gas-sensitive sensor is measured using the electronic unit 7.

Конструкция устройства позволяет одновременно детектировать пылевую и газовую компоненты в атмосфере с помощью емкостной ячейки и газочувствительного сенсора, соответственно. Пылевая компонента детектируется емкостной ячейкой, между двумя электродами которой размещен слой фильтрующего материала, а концентрация пара или газа детектируется газочувствительным оптическим или химическим сенсором, в качестве которых могут быть использованы, например, известные оптические датчики типа МИП ООО «Оптосенс» г. С-Петербург. Емкость ячейки измеряют с помощью электронного блока регистрации.The design of the device allows you to simultaneously detect dust and gas components in the atmosphere using a capacitive cell and a gas sensor, respectively. The dust component is detected by a capacitive cell, between which two electrodes a layer of filter material is placed, and the vapor or gas concentration is detected by a gas-sensitive optical or chemical sensor, for example, the well-known optical sensors of the MIP type Optosens LLC, St. Petersburg, can be used. . The cell capacity is measured using an electronic recording unit.

Устройство работает следующим образом. Устройство помещается в поток воздуха с известной скоростью. Если поток отсутствует, то используется прокачка с помощью встроенного побудителя расхода. При прохождении потока через емкостную ячейку пылевая компонента осаждается на фильтре 3, выполненном, например, из листа стандартного фильтрующего материала и размещенном между электродами емкостной ячейки, а отфильтрованный газ (пар) проходит далее в газовую камеру с расположенным в ней газочувствительным сенсором 4, который измеряет его концентрацию в контролируемом газе-носителе (воздухе). Осажденные в течение времени работы на фильтре 3 частицы пыли или капли жидкости увеличивают диэлектрическую проницаемость зазора между электродами емкостной ячейки и, соответственно, емкость ячейки увеличивается во времени в зависимости от общего количества аэрозоля, осажденного на фильтре.The device operates as follows. The device is placed in a stream of air at a known speed. If there is no flow, then pumping is used using the built-in flow driver. When the flow passes through the capacitive cell, the dust component is deposited on the filter 3, made, for example, from a sheet of standard filtering material and placed between the electrodes of the capacitive cell, and the filtered gas (steam) passes further into the gas chamber with a gas-sensitive sensor 4 located in it, which measures its concentration in a controlled carrier gas (air). Dust particles or liquid droplets deposited during operation on the filter 3 increase the dielectric constant of the gap between the electrodes of the capacitive cell and, accordingly, the cell capacity increases in time depending on the total amount of aerosol deposited on the filter.

В первом приближении для простоты можно считать, что при малых количествах осажденной на фильтре пылевой компоненты изменение емкости ячейки со временем C(t) пропорционально объему V(t), осажденной на фильтре пылевой компонентыAs a first approximation, for simplicity, we can assume that for small amounts of the dust component deposited on the filter, the change in the cell capacity with time C (t) is proportional to the volume V (t) deposited on the filter of the dust component

C(t)=aV(t).C (t) = aV (t).

Для нахождения концентрации пылевой компоненты в атмосфере X(t) вычисляется производная по времени от емкости ячейки C(t) и делится на общий расход воздушного потока Q, который налетает на емкостную ячейку или который прокачивает побудитель расхода через фильтр емкостной ячейкиTo find the concentration of the dust component in the atmosphere X (t), the time derivative of the capacity of the cell C (t) is calculated and divided by the total air flow rate Q that flies to the capacitive cell or which pumps the flow inductor through the filter of the capacitive cell

.

Расход Q определяется техническими параметрами использованного побудителя расхода или известной скоростью внешнего потока, в который помещено устройство. Калибровочный коэффициент «а» емкостной ячейки определяется экспериментально путем калибровки емкостной ячейки для конкретного типа пылевой компоненты. Изменение емкости ячейки, пропорциальное количеству осажденной на фильтре пылевой компоненты, измеряют в зависимости от времени с помощью электронного блока 7, в качестве которого может быть использована стандартная аппаратура, например, RLC-метр. Путем дифференцирования временной зависимости величины емкости по времени согласно уравнению (1) с учетом известной скорости потока и коэффициента калибровки емкостной ячейки определяют концентрацию пылевой компоненты в атмосфере в зависимости от времени.The flow Q is determined by the technical parameters of the used flow inducer or the known speed of the external flow into which the device is placed. The calibration coefficient “ a ” of the capacitive cell is determined experimentally by calibrating the capacitive cell for a particular type of dust component. The change in cell capacity, proportional to the amount of dust component deposited on the filter, is measured as a function of time using an electronic unit 7, which can be used as standard equipment, for example, an RLC meter. By differentiating the time dependence of the capacity value over time according to equation (1), taking into account the known flow velocity and the calibration coefficient of the capacitive cell, the concentration of the dust component in the atmosphere is determined as a function of time.

Таким образом, с помощью данного устройства можно измерять одновременно общее количество пылевой компоненты, осажденной на фильтре за время работы, ее концентрацию и концентрацию детектируемого газа (пара) в атмосфере в зависимости от времени. За счет необходимой скорости потока при его прохождении перпендикулярно газопроницаемым электродам емкостной ячейки и малого расстояния между электродами устройство обеспечивает измерение содержания пылевой компоненты с временным разрешением до 10 мс. Из нескольких подобных устройств можно организовать многоканальную измерительную сеть с дистанционным сбором данных на компьютер. Устройства в подобной разветвленной сети, расположенные в разных местах, могут синхронизировать измеренные данные по времени и пространственным координатам с использованием системы ГЛОНАСС/GPS.Thus, using this device, it is possible to simultaneously measure the total amount of dust component deposited on the filter during operation, its concentration and the concentration of the detected gas (vapor) in the atmosphere, depending on time. Due to the necessary flow rate during its passage perpendicular to the gas-permeable electrodes of the capacitive cell and the small distance between the electrodes, the device provides measurement of the content of the dust component with a time resolution of up to 10 ms. From several such devices, it is possible to organize a multichannel measuring network with remote data collection to a computer. Devices in a similar branched network located in different places can synchronize the measured data in time and spatial coordinates using the GLONASS / GPS system.

Claims

1. A device for measuring the content of gases and dust in the atmosphere, containing a capacitive cell with two electrodes connected to measuring equipment, characterized in that the electrodes are made gas permeable with a filter element located between them, while one of the electrodes has the shape of a coil with holes and an inner a gas chamber, inside of which there is a gas-sensitive sensor connected to the measuring equipment, and the second electrode is made in the form of a grid mounted outside the coil.

2. The device according to p. 1, characterized in that at the outlet of the gas chamber there is a flow inducer.

3. The device according to claim 1, characterized in that the gas-sensitive sensor is made on the basis of optical or chemical sensors.