RU198027U1

RU198027U1 - DEVICE FOR QUICK ANALYSIS OF AIR POLLUTION BY ATMOSPHERIC HIGH-CONCENTRATED AEROSOL EMISSIONS DROPS

Info

Publication number: RU198027U1
Application number: RU2020107476U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Загнитько; Иван Дмитриевич Мацуков; Николай Пантелеевич Зарецкий; Сергей Михайлович Вельмакин; Юрий Борисович Смаковский; Сергей Евгеньевич Сальников; Виталий Викторович Пименов; Илья Владимирович Цуриков; Вячеслав Константинович Орлов; Дмитрий Юрьевич Федин
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2020-06-15

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для быстрого и дистанционного анализа загрязненности воздуха высококонцентрированными потоками капельного аэрозоля в атмосфере при выбросах жидкостей с их диспергированием, экологического мониторинга атмосферы и предупреждения аварий на объектах топливно-энергетического комплекса вследствие техногенных или несанкционированных выбросов топлив (керосин, дизельное топливо, мазут, нефть и т.п.). Техническим результатом полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель путем одновременного и быстрого измерения оптической плотности, среднего размера, массовой и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с аэродинамическим распылением. Для его достижения предложено устройство для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, содержащее блок его подвески, первый и второй последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллеры с соосными одинаковыми прямоугольными отверстиями, в которые вставлен прямоугольный воздухопровод через первый и второй одинаковые и параллельные измерительные каналы для быстрого анализа потока капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок на швеллере для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер, причем в прямоугольном воздухопроводе выполнены боковые соосные отверстия для входа в измерительные каналы и выхода из них лазерного излучения, при этом на выходе прямоугольного воздухопровода установлена перпендикулярно и соосно плоская емкостная ячейка для анализа массы капель, включающая два параллельных сетчатых прямоугольных электрода с расположенным между ними аэрозольным фильтром, соединенных с блоком измерения их электрической емкости и передачи ее значений в удаленный компьютер, а перед входным отверстием прямоугольного воздухопровода установлена параллельно его входному отверстию тонкая металлическая пластина для его периодического полного перекрывания и открывания, соединенная механически со штоком пневмоцилиндра двухстороннего действия, установленного на швеллере. 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used for quick and remote analysis of air pollution by highly concentrated streams of droplet aerosol in the atmosphere during the discharge of liquids with their dispersion, environmental monitoring of the atmosphere and prevention of accidents at the fuel and energy complex due to man-made or unauthorized fuel emissions ( kerosene, diesel fuel, fuel oil, oil, etc.). The technical result of the utility model is to improve the technical characteristics of a device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions by simultaneously and rapidly measuring the optical density, average size, mass and surface concentration of droplets of fuel fluids during their technogenic or unauthorized release in the form of flooded jets into the atmosphere with aerodynamic spraying. To achieve this, a device is proposed for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions, containing a suspension unit, first and second sequentially and rigidly joined rectangular channels with identical coaxial rectangular openings, into which a rectangular air duct is inserted through the first and second identical and parallel measuring channels for quick analysis of the flow of droplets containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of the rectangular channels, an electronic unit on the channel for powering, controlling and transmitting the signals of the measuring channels to a remote computer, and in the rectangular air duct there are lateral coaxial openings for entering the measuring channels and exit from them laser radiation, while at the exit of a rectangular air duct installed perpendicular and coaxially flat capacitive cell for analyzing the mass of droplets, including two parallel mesh rectangular electrodes with an aerosol filter located between them, connected to a unit for measuring their electric capacitance and transmitting its values to a remote computer, and in front of the inlet of the rectangular air duct, a thin metal plate is installed parallel to its inlet for periodic periodic overlapping and opening, mechanically connected with a rod of a double-acting pneumatic cylinder mounted on a channel. 3 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для быстрого и дистанционного анализа загрязненности воздуха высококонцентрированными потоками капельного аэрозоля в атмосфере при выбросах жидкостей с их диспергированием, экологического мониторинга атмосферы и предупреждения аварий на объектах топливно-энергетического комплекса, вследствие техногенных или несанкционированных выбросов топлив (керосин, дизельное топливо, мазут, нефть и т.п.).The utility model relates to the field of measurement technology and can be used for quick and remote analysis of air pollution by highly concentrated streams of droplet aerosol in the atmosphere during the emission of liquids with their dispersion, environmental monitoring of the atmosphere and prevention of accidents at fuel and energy complex due to man-made or unauthorized fuel emissions (kerosene, diesel fuel, fuel oil, oil, etc.).

Уровень техникиState of the art

Известно фотоэлектрическое устройство для анализа облачных капель и загрязненности воздуха (авторское свидетельство СССР №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу набегающему анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель.A photoelectric device for analyzing cloud droplets and air pollution (USSR author's certificate No. 172094) is known, including a sampling tube for collecting droplets oriented towards the incoming analyzed air flow, a light source, a slit, a lens, the central part of which is closed by a diaphragm, a lens for collecting light, scattered by particles on a photomultiplier tube.

Недостатком данного устройства является невозможность быстрого в течение анализа оптической плотности D(t) < 3, массовой и удельной поверхностной концентрации капель М ≈ 1-500 г/м³ и S < 200-250 м²/м³ в высококонцентрированных атмосферных выбросах жидкостей с их аэродинамическим распылением для определения загрязненности воздуха высококонцентрированными аэрозольными примесями.The disadvantage of this device is the inability to quickly during the analysis of the optical density D (t) <3, mass and specific surface concentration of drops M ≈ 1-500 g / m ³ and S <200-250 m ² / m ³ in highly concentrated atmospheric emissions of liquids with aerodynamic spraying to determine air pollution with highly concentrated aerosol impurities.

Известно устройство для измерения содержания аэрозолей в воздушном потоке (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отсоса анализируемого воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно тарируется путем измерения зависимости аэродинамического сопротивления фильтра от массы уловленного фильтрата дисперсных примесей при постоянном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность осуществления одновременного быстрого анализа оптической плотности, массовой и поверхностной концентраций капель, скорости их движения в потоке аэрозольного выброса для анализа загрязненности воздуха высококонцентрированными дисперсными примесями.A device is known for measuring the aerosol content in the air flow (RF patent for utility model No. 38837), including a channel for suctioning the analyzed air with a filter at the inlet to it, a thrust stimulator for the analyzed air by a centrifugal fan, a flow sensor and a measuring unit for the gas-dynamic resistance of the filter. The device is pre-calibrated by measuring the dependence of the aerodynamic drag of the filter on the mass of the trapped filtrate of dispersed impurities at a constant air flow rate. Its disadvantage is the impossibility of carrying out a simultaneous rapid analysis of the optical density, mass and surface concentrations of droplets, their speed in the aerosol stream to analyze air pollution with highly concentrated dispersed impurities.

Известно устройство для измерения содержания пыли и капель в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки.A device for measuring the content of dust and droplets in the air (RF patent for utility model No. 182124), comprising a capacitive cell with two electrodes connected to measuring equipment, made gas-permeable with a filter element located between them, while one of the electrodes has the form of a coil with holes connected to the measuring equipment, and the second electrode is made in the form of a grid mounted outside the coil.

Недостатком этого устройства является забивка фильтрующего элемента фильтратом и необходимость его периодической замены в процессе эксплуатации, а также невозможность одновременного и быстрого в течение анализа оптической плотности, размера, массовой и поверхностной концентраций капель, скорости их потоков в атмосферных аэрозольных выбросах топливных жидкостей с их распылением для оценки загрязненности воздуха высококонцентрированным капельным аэрозолем.The disadvantage of this device is the clogging of the filter element with filtrate and the need for periodic replacement during operation, as well as the inability to simultaneously and quickly during the analysis of the optical density, size, mass and surface concentration of droplets, their flow rates in atmospheric aerosol emissions of fuel liquids with their atomization for assessment of air pollution by highly concentrated drip aerosol.

Известно устройство для анализа содержания аэрозолей в атмосферном воздухе, описанное в статье «Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152. Устройство содержит блок его подвески на тросе или мачте, два параллельных жестко связанных прямоугольных швеллера с прямоугольными отверстиями для одновременного течения двухфазного потока аэрозолей и газов через параллельные измерительные каналы анализа мелких и крупных капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок для питания и управления с системой оцифровывания и передачи сигналов измерительных каналов к удаленному компьютеру, прямоугольный канал постоянного сечения с установленным в нем сепаратором крупных капель перед прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей в измерительный канал.A device for analyzing the content of aerosols in atmospheric air is described in the article "High-speed laser analyzer of small and large droplets in an aerosol stream", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretsky, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, RF magazine “Instruments and experimental equipment”, 2019, No. 5, p. 150-152. The device comprises a suspension unit on a cable or mast, two parallel rigidly connected rectangular channels with rectangular openings for the simultaneous flow of a two-phase stream of aerosols and gases through parallel measuring channels for analyzing small and large droplets containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of the rectangular channels , an electronic unit for power and control with a system for digitizing and transmitting the signals of the measuring channels to a remote computer, a rectangular channel of constant cross section with a large droplet separator installed in front of the rectangular hole for the flow of aerosol flow into the measuring channel.

Недостатком данного устройства является невозможность одновременного и быстрого анализа оптической плотности, среднего размера, массовой и поверхностной концентрации капель, скорости движения их потоков в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах топливных жидкостей для детектирования степени загрязненности воздуха.The disadvantage of this device is the impossibility of simultaneous and rapid analysis of the optical density, average size, mass and surface concentration of droplets, the speed of their flows in atmospheric highly concentrated aerosol emissions of fuel liquids to detect the degree of air pollution.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей в атмосферном воздухе, описанное в статье А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Велъмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159 (прототип). Данное устройство содержит блок его подвески на мачте или тросе, первый и второй последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллера с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод двухфазного потока капель и воздуха через первый и второй одинаковые измерительные каналы для их быстрого анализа, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок, закрепленный на швеллере, для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер. В прямоугольном воздухопроводе двухфазного потока капель и воздуха выполнены боковые соосные отверстия для входа в измерительные каналы и выхода из них лазерного излучения.The closest in technical essence to the claimed utility model is a device for analyzing the content of aerosols in atmospheric air, described in article A.V. Zagnitko, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, S.M. Vel'makin, Laser analyzer of the speed of aerosol flows, J. Instruments and experimental equipment, 2019, No. 4, p. 158-159 (prototype). This device contains a suspension unit on the mast or cable, the first and second sequentially and rigidly joined rectangular channels with coaxial, identical, rectangular openings into which a rectangular air duct of a two-phase flow of droplets and air through the first and second identical measuring channels is inserted for their quick analysis, containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of the rectangular channels, an electronic unit mounted on the channel to power, control and transmit the signals of the measuring channels to a remote computer. In a rectangular air duct of a two-phase stream of droplets and air, side coaxial openings are made for entering the measuring channels and exiting the laser radiation from them.

В первом и втором канале создаются тонкие по ширине параллельные лазерные лучи путем использования коллиматоров, установленных на лазерах. При движении аэрозольного фронта через измерительные каналы в соответствии с теорией рассеивания плоской электромагнитной волны ослабление потока энергии обусловлено дифракцией волн на контурах частиц диаметром d и рассеиванием за счет отражения и поглощения. Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсной среде можно рассчитывать по формуле I (к) = I₀ ехр (-КL), где К - объемный коэффициент ослабления, L - оптическая длина каждого измерительного канала, I₀ и I(к) - интенсивности излучения без и в присутствии капель в анализируемом объеме воздуха (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987). Текущая линейная скорость аэрозольного потока в текущий момент времени t рассчитывается по формуле V(t) = H/Δ(t), где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом аэрозольного потока фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t. Величина Δ(t) регистрируется по изменению значений I₀ и I(к), измеряемых фотодиодами и при прохождении фронта аэрозольного потока через измерительные каналы в момент времени t. Экспериментальные данные передаются на удаленный компьютер из-за требований пожаровзрывобезопасности к выбросам топливных жидкостей. Время быстродействия системы измерения электронного блока и передачи его сигналов составляет около 10 мкс.In the first and second channels, thin in width parallel laser beams are created by using collimators mounted on lasers. When the aerosol front moves through the measuring channels, in accordance with the theory of scattering of a plane electromagnetic wave, the attenuation of the energy flux is caused by diffraction of waves on the contours of particles of diameter d and scattering due to reflection and absorption. According to the Lambert-Bouguer-Beer law, radiation attenuation in a dispersed medium can be calculated by the formula I (k) = I ₀ exp (-KL), where K is the volume attenuation coefficient, L is the optical length of each measuring channel, I ₀ and I (k ) - radiation intensity without and in the presence of droplets in the analyzed air volume (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Hydrometeoizdat. 255 S. 1987). The current linear velocity of the aerosol stream at the current time t is calculated by the formula V (t) = H / Δ (t), where Δ (t) is the measured time that the front of the aerosol stream travels a fixed distance H between parallel laser beams of the first and second measuring channels in time t. The value Δ (t) is recorded by the change in the values of I ₀ and I (k) measured by photodiodes and when the front of the aerosol stream passes through the measuring channels at time t. The experimental data are transferred to a remote computer due to fire and explosion safety requirements for fuel fluid emissions. The response time of the measuring system of the electronic unit and the transmission of its signals is about 10 μs.

В результате устройство по прототипу позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха в процессе измерения содержания капельного аэрозоля в атмосферном воздухе при выбросе жидкостей с их аэродинамическим распылением путем измерения во времени оптической плотности капель D(t) = lg{I₀/I(к)}, их удельной поверхностной концентрации S(t)=π<d(t)²>n(t) = 9,2 D(t)/L, а также значений скорости V(t), где <d(t)²>^0.5 и n(t) - среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация капель от времени t соответственно (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Вельмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159).As a result, the prototype device allows a quick analysis of air pollution in the process of measuring the droplet aerosol content in atmospheric air during the ejection of liquids with their aerodynamic spraying by measuring the optical density of the droplets D (t) = log {I ₀ / I (k)} over time, their specific surface concentration S (t) = π <d (t) ² > n (t) = 9.2 D (t) / L, as well as the values of the velocity V (t), where <d (t) ² > ^0.5 and n (t) is the root mean square diameter and the calculated concentration of droplets versus time t, respectively (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Hydrometeoizd. 255 P. 1987; A.V. Zagnitko, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, S.M. Velmakin, Laser Analyzer of Aerosol Flow Velocity, J. Instruments and Experimental Techniques, 2019, No. 4, p. 158-159).

Недостатком устройства по прототипу является невозможность одновременного анализа оптической плотности, среднего размера, поверхностной и массовой концентраций капель в высококонцентрированном аэрозольном выбросе топливных жидкостей с их аэродинамическим распылением.The disadvantage of the prototype device is the inability to simultaneously analyze the optical density, average size, surface and mass concentration of droplets in a highly concentrated aerosol emission of fuel liquids with their aerodynamic spraying.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель является унификация конструкции устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель топливных жидкостей и расширение его функциональных возможностей.The technical problem to be solved by the claimed utility model is the unification of the design of the device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol emissions of fuel liquid droplets and the expansion of its functionality.

Раскрытие сущности полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель путем одновременного и быстрого в измерения оптической плотности, среднего размера, массовой и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, маловязкий мазут, легкая нефть с вязкостью менее 20 мПа.с и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с аэродинамическим распылением.The technical result of the claimed utility model is to improve the technical characteristics of a device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions by simultaneously and quickly measuring the optical density, average size, mass and surface concentration of droplets of fuel liquids (kerosene, diesel fuel, low-viscosity fuel oil, light oil with a viscosity of less than 20 mPa.s and the like) when they are man-made or unauthorized release in the form of flooded jets into the atmosphere with aerodynamic spraying.

Для достижения технического результата предложено устройство для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, содержащее блок его подвески, первый и второй последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллеры с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод через первый и второй одинаковые и параллельные измерительные каналы для быстрого анализа потока капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок на швеллере для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер, причем в прямоугольном воздухопроводе выполнены боковые соосные отверстия для входа в измерительные каналы и выхода из них лазерного излучения, при этом, на выходе прямоугольного воздухопровода установлена перпендикулярно и соосно плоская емкостная ячейка для анализа массы капель, включающая два параллельных сетчатых прямоугольных электрода с расположенным между ними аэрозольным фильтром, соединенных с блоком измерения их электрической емкости и передачи ее значений в удаленный компьютер, а перед входным отверстием прямоугольного воздухопровода установлена параллельно его входному отверстию тонкая металлическая пластина для его периодического полного перекрывания и открывания, соединенная механически со штоком пневмоцилиндра двухстороннего действия, установленного на швеллере.To achieve a technical result, a device is proposed for the rapid analysis of air pollution by highly concentrated aerosol drops droplets containing a suspension unit, the first and second sequentially and rigidly joined rectangular channels with coaxial, identical, rectangular openings into which a rectangular air duct is inserted through the first and second identical and parallel measuring channels for quick analysis of droplet flow, containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of the rectangular channels, an electronic unit on the channel for powering, controlling and transmitting the signals of the measuring channels to a remote computer, and in the rectangular air duct there are lateral coaxial openings for entering measuring channels and the output of laser radiation, while at the exit of a rectangular air duct a perpendicular and coaxially flat capacitive cell is installed for mass analysis to an apel, including two parallel mesh rectangular electrodes with an aerosol filter located between them, connected to a unit for measuring their electric capacitance and transmitting its values to a remote computer, and a thin metal plate parallel to its inlet is installed in front of the inlet of the rectangular air duct for periodic periodic overlapping and opening, mechanically connected to the rod of a double-acting pneumatic cylinder mounted on the channel.

Расстояние, на котором установлена перпендикулярно и соосно перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода плоская прямоугольная емкостная ячейка для анализа массы капель, составляет D(C). Значение D(C) совпадает с шириной прямоугольного воздухопровода.The distance at which a flat rectangular capacitive cell for analyzing droplet mass is set perpendicularly and coaxially in front of the outlet of the rectangular air duct is D (C). The value of D (C) coincides with the width of the rectangular air duct.

В результате установки на выходе прямоугольного воздухопровода перпендикулярно и соосно плоской емкостной ячейки для анализа массы капель, содержащей два параллельных сетчатых прямоугольных электрода с расположенным между ними аэрозольным фильтром, соединенных с блоком измерения их электрической емкости и передачи ее значений в удаленный компьютер, а также размещения перед входным отверстием прямоугольного воздухопровода параллельно его входному отверстию тонкой металлической пластины для его периодического, последовательного и полного перекрывания и открывания с помощью пневмоцилидра двухстороннего действия со штоком, подключенного к источнику сжатого воздуха и установленного на швеллере, удается достигнуть технического результата путем создания устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, позволяющего одновременно и быстро измерять оптическую плотность, средний размер, массовою и поверхностную концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, маловязкая нефть и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с их аэродинамическим распылением.As a result of installing at the outlet of a rectangular air duct a perpendicular and coaxially flat capacitive cell for analyzing the droplet mass, containing two parallel mesh rectangular electrodes with an aerosol filter located between them, connected to a unit for measuring their electric capacity and transmitting its values to a remote computer, as well as placing it in front of the inlet of a rectangular air duct parallel to its inlet of a thin metal plate for its periodic, sequential and complete overlapping and opening using a double-acting pneumatic cylinder with a rod connected to a compressed air source and installed on the channel, it is possible to achieve a technical result by creating a device for quick analysis of contamination atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions, which simultaneously and quickly measure optical density, average size, mass and surface concentrations drops of fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, low-viscosity oil, etc.) during their technogenic or unauthorized release in the form of flooded jets into the atmosphere with their aerodynamic spraying.

Установленная поперек прямоугольного отверстия тонкая металлическая пластина толщиной около 1 мм для периодического и последовательного полного закрывания и открывания с периодом от 0,2 до 2 с входного отверстия прямоугольного воздухопровода потока капель и воздуха позволяет периодически перекрывать анализируемый поток капель для его конвективного течения в измерительные каналы и в емкостную ячейку. В результате осуществляется периодическая модуляция скорости движения потока капель во времени с периодом от 0,2 до 2 с. Это позволяет измерять скорость движения V(t) квазистационарных или стационарных потоком капель, а также повысить точность измерения турбулентных и нестационарных потоков капель при аэрозольном высококонцентрированном выбросе топливной жидкости.A thin metal plate mounted across a rectangular hole about 1 mm thick for periodic and sequential full closing and opening with a period from 0.2 to 2 from the inlet of a rectangular air duct of a droplet and air flow allows periodically blocking the analyzed droplet flow for its convective flow into the measuring channels and into the capacitive cell. As a result, periodic modulation of the velocity of the flow of droplets in time with a period of 0.2 to 2 s is carried out. This makes it possible to measure the velocity V (t) of quasistationary or stationary flow of droplets, as well as to increase the accuracy of measuring turbulent and unsteady flow of droplets during aerosol highly concentrated discharge of fuel fluid.

Устройство по прототипу не позволяет осуществлять анализ скорости стационарных или квазистационарных аэрозольных потоков, так как при их анализе нет временной метки изменения значений скорости движения потока капель. В результате отсутствует модуляция интенсивности лазерного излучения в присутствии I(к) и в отсутствии I₀ капель от времени анализа в двух последовательно установленных измерительных каналах с расстоянием между параллельными лазерными лучами Н.The prototype device does not allow the analysis of the velocity of stationary or quasistationary aerosol flows, since when analyzing them there is no time stamp for changing the values of the velocity of the flow of droplets. As a result, there is no modulation of the intensity of laser radiation in the presence of I (k) and in the absence of I ₀ drops from the analysis time in two successively installed measuring channels with a distance between the parallel N. laser beams.

Расположение емкостной ячейки для анализа массы капель с двумя параллельными электродами, соединенными с блоком измерения их емкости и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром, перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода позволяет осуществлять инерционное осаждение капель, так как при ее обтекании траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого высокоэффективного аэрозольного фильтра. Пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее аэродинамическое дробление воздушным потоком с образованием вторичных мелких капель.The location of the capacitive cell for analyzing the mass of droplets with two parallel electrodes connected to the unit for measuring their capacitance and made gas-permeable with an aerosol filter located between them, in front of the outlet of the rectangular air duct allows inertial deposition of droplets, since when it flows around the trajectory of aerosol particles due to their inertia deviates from the streamlines and is deposited on the surface and inside the porous high-performance aerosol filter. A film of liquid filtrate is absorbed into its porous structure. This eliminates the possible stall of liquid from the surface of the capacitive cell and its aerodynamic crushing by air flow with the formation of secondary small drops.

Диаметр инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра емкостной ячейки для анализа аэрозолей зависит от их плотности и скорости анализируемого аэрозольного потока V(t) на выходе из прямоугольного отверстия воздухопровода. При типичных скоростях высококонцентрированных аэрозольных выбросов V(t) > 3-5 м/с и для сравнительно крупных дисперсных частиц размером более 0,5 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk = τ(p)V(t)/D(C), где τ(p) ≈ pd²/18η - время релаксации частиц диаметром d < 150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, D(C) - ширина прямоугольного воздухопровода, ρ ≈ 0,8-1 г/см³ - плотность топливных жидкостей, η - динамическая вязкость воздуха (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(к) ≈ 0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы не осаждаются на аэрозольный фильтр емкостной ячейки (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).The diameter of the inertially deposited coarse particles on the surface and inside the porous aerosol filter of the capacitive cell for aerosol analysis depends on their density and the velocity of the analyzed aerosol stream V (t) at the exit from the rectangular opening of the air duct. At typical velocities of highly concentrated aerosol emissions V (t)> 3-5 m / s and for relatively large dispersed particles larger than 0.5 mm, their paths are close to straight and capture efficiency is ≈ 100%. The main parameter determining the inertial deposition of smaller particles is the Stokes number Stk = τ (p) V (t) / D (C), where τ (p) ≈ pd ² / 18η is the relaxation time of particles with a diameter d <150 μm for which the resistance force of the medium is determined by the Stokes formula, D (C) is the width of the rectangular air duct, ρ ≈ 0.8-1 g / cm ³ is the density of fuel liquids, η is the dynamic viscosity of air (Raist P. Aerosoli, introduction to the theory. Moscow. World 280 p. 1987). The critical Stokes number is Stk (k) ≈ 0.3 and, at lower values of the Stokes number, particles do not settle on the aerosol filter of the capacitive cell (Raist P. Aerosoli, introduction to the theory. Moscow. Mir. 280, 1987).

В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц топливных жидкостей на поверхности и внутри аэрозольного фильтра плоской емкостной ячейки изменяется ее емкость, по величине которой путем ее предварительной калибровки определяется масса m(t) грубодисперсных капель от времени анализа t.During inertial deposition of coarse aerosol particles of fuel liquids on the surface and inside the aerosol filter of a flat capacitive cell, its capacity changes, the value of which by preliminary calibration determines the mass m (t) of coarse droplets from the analysis time t.

При измерении малых значений емкости в диапазоне С = 10-500 пФ используется метода генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989, 456 С.). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора выбран таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Надежно измеряемое изменение величины емкости составляет 0,03-0,05 пФ.When measuring small capacitance values in the range C = 10-500 pF, the generator method is used (N.G. Farzane, L.V. Ilyasov, A.Yu. Azimzade, Technological Measurements and Instruments, M., Higher School, 1989, 456 S.). The measured capacitance is the frequency-setting element of the generator. The timer EN 555 is chosen as a generator. The circuit is insensitive to parallel leakage resistance. Reliably measured change in the value of the capacitance is 0.03-0.05 pF.

Экспериментально было показано, что величина С слабо зависит от типа топливной жидкости, что обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость керосина, дизельного топлива, маловязкого мазута и нефти ε ≈ 2-2,2. Их удельное сопротивление составляет величину R ≈ 10¹¹-10¹⁴ Ом.см при нормальных условиях, поэтому при накоплении топливных жидкостей в аэрозольном фильтре емкостной ячейки замыкания ее круглых сетчатых электродов не наблюдалось.It was experimentally shown that the value of C weakly depends on the type of fuel fluid, which is due to the fact that the dielectric constant of kerosene, diesel fuel, low-viscosity fuel oil and oil is ε ≈ 2-2.2. Their specific resistance is R ≈ 10 ¹¹ -10 ¹⁴ Ohm.cm under normal conditions, therefore, during the accumulation of fuel liquids in the aerosol filter of the capacitive cell, the closure of its round mesh electrodes was not observed.

В процессе измерения емкости С ее величина периодически модулируется путем перекрывания и открывания прямоугольной тонкой металлической пластиной емкостной ячейки. В результате, повышается точность измерения малых значений емкости за счет устранения воздействия аэродинамического давления аэрозольного потока на поверхность аэрозольного фильтра емкостной ячейки и стабилизации значений С за время перекрытия емкостной ячейки. Ее быстродействие составляет менее 0,05 с.In the process of measuring the capacitance C, its value is periodically modulated by overlapping and opening the capacitive cell with a rectangular thin metal plate. As a result, the accuracy of measuring small capacitance values is improved by eliminating the influence of aerodynamic pressure of the aerosol stream on the surface of the aerosol filter of the capacitive cell and stabilizing the values of C during the overlap of the capacitive cell. Its speed is less than 0.05 s.

Измерение величины С, связанное с массой капель уловленных капель, позволяет определить значение их средней массовой концентрации при измеренной средней скорости потока капель V(τ) за время отбора τ. Ее величина составляет М(τ)=m(τ)/τS(C)V(τ), где V(τ) и m(τ) - соответственно, средняя скорость и масса капель, осевших на аэрозольном фильтре емкостной ячейки за интервал анализа τ, a S(C)=πD(C)²L/4 - площадь прямоугольного воздухопровода, L - его длина. Скорость V (τ) определяется как усредненное значение текущих величин скорости потока капель от времени V(t)=H/Δ(t) за время анализа τ, где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом потока капель фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t.The measurement of the value of C, associated with the mass of droplets of the captured droplets, allows us to determine the value of their average mass concentration at the measured average droplet flow rate V (τ) during the sampling time τ. Its value is M (τ) = m (τ) / τS (C) V (τ), where V (τ) and m (τ) are, respectively, the average speed and mass of droplets deposited on the aerosol filter of the capacitive cell during the analysis interval τ, a S (C) = πD (C) ² L / 4 is the area of a rectangular air duct, L is its length. The velocity V (τ) is defined as the average value of the current values of the droplet flow rate versus time V (t) = H / Δ (t) during the analysis time τ, where Δ (t) is the measured time that the droplet flow front travels a fixed distance H between parallel laser rays of the first and second measuring channels at time t.

Длина прямоугольных сетчатых электродов и аэрозольного фильтра емкостной ячейки составляет L(е) ≈ (1,5-2)L, а их ширина D(e) ≈ (1,5-2)D(C).The length of the rectangular mesh electrodes and the aerosol filter of the capacitive cell is L (e) ≈ (1.5-2) L, and their width D (e) ≈ (1.5-2) D (C).

За интервал анализа τ средняя массовая концентрация капель составляет М(τ)=πρ<d(τ)³>n(τ)/6, а их измеренная средняя удельная поверхность S(τ)=π<d(τ)²>n(τ), где <d(τ)³> - куб среднемассового диаметра капель и <d(τ)²> - квадрат их среднеквадратичного диаметра. В результате, средний диаметр капель за интервал анализа τ равен d₁(τ)=<d(τ)³>/<d(τ)²> = 6М(τ)/ρS(τ).During the analysis interval τ, the average mass concentration of droplets is M (τ) = πρ <d (τ) ³ > n (τ) / 6, and their measured average specific surface area S (τ) = π <d (τ) ² > n ( τ), where <d (τ) ³ > is the cube of the mass-average diameter of the droplets and <d (τ) ² > is the square of their rms diameter. As a result, the average droplet diameter over the analysis interval τ is d ₁ (τ) = <d (τ) ³ > / <d (τ) ² > = 6M (τ) / ρS (τ).

В результате одновременно определяются оптическая плотность, средний диаметр, массовая и поверхностная концентрация грубодисперсных капель через каждый интервал τ (0,2-2) с в зависимости от массы капель и скорости аэрозольного потока анализируемого выброса жидкости. Таким образом, достигается технический результат заявляемой полезной модели.As a result, the optical density, average diameter, mass and surface concentration of coarsely dispersed drops are determined at each interval τ (0.2-2) s, depending on the mass of the droplets and the aerosol flow rate of the analyzed liquid ejection. Thus, the technical result of the claimed utility model is achieved.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, где:In FIG. 1 shows a schematic diagram of the claimed device for a quick analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol drops, where:

1 - крепление для подвески устройства на мачте или тросе;1 - mount for hanging the device on a mast or cable;

2 и 3 - два одинаковых параллельных, жестко и последовательно состыкованных прямоугольных швеллера;2 and 3 - two identical parallel, rigidly and sequentially joined rectangular channel channels;

4 - электронный блок измерительных каналов;4 - electronic block measuring channels;

5 и 6 - два параллельных, полупроводниковых лазера с коллиматорами;5 and 6 - two parallel, semiconductor lasers with collimators;

7 - прямоугольный воздухопровод для течения двухфазного потока анализируемых капель и воздуха через измерительные каналы;7 - a rectangular air duct for the flow of a two-phase stream of analyzed droplets and air through the measuring channels;

8 и 9 - два параллельных фотодиода с коллиматорами для регистрации излучения лазеров 5 и 6, соответственно;8 and 9 - two parallel photodiodes with collimators for detecting laser radiation 5 and 6, respectively;

10 - плоская емкостная ячейка для измерения массы капель, закрепленная на швеллере 3;10 - a flat capacitive cell for measuring the mass of droplets, mounted on the channel 3;

11 - плоский аэрозольный фильтр капель ячейки 10 длиной ≈ (1,5-2)L и шириной (1,5-2)D(C);11 is a flat aerosol filter of droplets of cell 10 with a length of ≈ (1.5-2) L and a width of (1.5-2) D (C);

12 и 13 - верхний и нижний плоские сетчатые электроды прямоугольной формы ячейки 10 длиной ≈ (1,5-2)/, и шириной (1,5-2)D(C);12 and 13 - the upper and lower flat mesh electrodes of a rectangular shape of cell 10 with a length of ≈ (1.5-2) / and a width of (1.5-2) D (C);

14 - тонкая металлическая плоская пластина для периодического, последовательного полного перекрывания и открывания входа 17 прямоугольного канала 7;14 is a thin metal flat plate for periodic, sequential complete overlapping and opening of the input 17 of the rectangular channel 7;

15 - пневмоцилиндр двухстороннего действия со штоком для осуществления возвратно-поступательного перемещения пластины 14;15 - a double-acting pneumatic cylinder with a rod for reciprocating movement of the plate 14;

16 - блок измерения электрической емкости ячейки 10 и передачи ее значений в удаленный компьютер;16 - unit for measuring the electrical capacitance of cell 10 and transmitting its values to a remote computer;

17 - входное отверстие прямоугольного воздухопровода 7;17 - inlet of a rectangular air duct 7;

18 - выходное отверстие прямоугольного воздухопровода 7;18 - the outlet of the rectangular air duct 7;

19 и 21 - боковые соосные отверстия в прямоугольном воздухопроводе 7 для прохождения лазерного излучения в измерительные каналы I и II;19 and 21 - side coaxial holes in a rectangular duct 7 for the passage of laser radiation into the measuring channels I and II;

20 и 22 - боковые соосные отверстия прямоугольном воздухопроводе 7 для выхода лазерного излучения из измерительных каналов I и II и его регистрации фотодиодами 8 и 9;20 and 22 - side coaxial holes of a rectangular air duct 7 for the exit of laser radiation from the measuring channels I and II and its registration by photodiodes 8 and 9;

23 - шток пневмоцилиндра 15 для осуществления возвратно-поступательного движения пластины 14;23 - the rod of the pneumatic cylinder 15 for the implementation of the reciprocating movement of the plate 14;

I - первый измерительный канал для быстрого анализа потока капель;I - the first measuring channel for quick analysis of the flow of drops;

II - второй измерительный канал для быстрого анализа потока капель;II - the second measuring channel for quick analysis of the flow of drops;

D(С) - расстояние между плоскостью выходного отверстия 18 прямоугольного канала 7 и верхним сетчатым электродом 11 емкостной ячейки 10, совпадающее с шириной воздухопровода 7;D (C) is the distance between the plane of the outlet 18 of the rectangular channel 7 and the upper mesh electrode 11 of the capacitive cell 10, which coincides with the width of the air duct 7;

Н - расстояние между лазерными лучами через измерительные каналы I и II;H is the distance between the laser beams through the measuring channels I and II;

L - оптическая длина измерительных каналов I и II;L is the optical length of the measuring channels I and II;

Q - объемный расход анализируемого двухфазного потока капель и воздуха через каналы I и II.Q is the volumetric flow rate of the analyzed two-phase flow of droplets and air through channels I and II.

На фиг. 2. Приведены экспериментальные кривые значений I(к) и I₀, измеренные последовательно в первом и втором измерительных каналов для анализа потока капель при последовательном периодическом перекрывании и открывании тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода, где I₀ - интенсивность лазерного излучения при перекрывании входного отверстия воздухопровода и измерительных каналов, а I(к) - интенсивность лазерного излучения в присутствии капель в анализируемом объеме открытых измерительных каналов, регистрируемые фотодиодами в условных единицах.In FIG. 2. Experimental curves of I (k) and I ₀ values are shown, measured sequentially in the first and second measuring channels for analyzing droplet flow during sequential periodic overlapping and opening the inlet of a rectangular air duct with a thin metal plate, where I ₀ is the laser radiation intensity when the inlet is blocked openings of the air duct and measuring channels, and I (k) is the intensity of laser radiation in the presence of droplets in the analyzed volume of open measuring channels recorded by photodiodes in arbitrary units.

На фиг. 3 показаны экспериментальные кривые I₀ и I(к) для первого и второго измерительных каналов от времени t при открывании [значения I(к)] и перекрывании (значения I₀) тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода для измерения текущей скорости капельного потока V(t). Точки А и Б соответствуют перекрытию входного отверстия воздухопровода и значениям I₀ и I(к), измеренным в первом и втором измерительных каналах от времени, соответственно.In FIG. Figure 3 shows the experimental curves I ₀ and I (k) for the first and second measuring channels versus time t when opening [I (k) values] and overlapping (I ₀ values) with a thin metal plate the inlet of a rectangular air duct to measure the current droplet velocity V (t). Points A and B correspond to the overlap of the inlet of the air duct and the values of I ₀ and I (k), measured in the first and second measuring channels from time to time, respectively.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель. Устройство содержит блок подвески 7 на тросе или мачте, первый 2 и второй 3 последовательно и жестко состыкованные прямоугольные швеллеры с соосными, одинаковыми, прямоугольными отверстиями в которые вставлен прямоугольный воздухопровод 7 для потока капель через первый I и второй II одинаковые измерительные каналы для их быстрого анализа, содержащие полупроводниковые лазеры 5 и 6 и фотодиоды 8 и 9, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров 2 и 3 соответственно, электронный блок 4, расположенный на швеллере 2, для питания, управления и передачи сигналов измерительных каналов в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), причем в прямоугольном воздухопроводе 7 выполнены боковые соосные отверстия для входа 19 и 21 в измерительные каналы I и II и выхода 20 и 22 из них лазерного излучения. На выходе прямоугольного воздухопровода 7 установлена перпендикулярно и соосно плоская прямоугольная емкостная ячейка 10 для анализа массы капель, содержащая два параллельных сетчатых прямоугольных электрода 12 и 13 с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, соединенных с блоком измерения их электрической емкости 16 и передачи ее значений в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан). Перед входным отверстием 17 прямоугольного воздухопровода 7 установлена параллельно его входному отверстию тонкая металлическая пластина 14 для его периодического и последовательного полного перекрывания и открывания пневмоцилиндром двухстороннего действия 75 со штоком 23, установленным на швеллере 2. Шток 23 механически жестко соединен с пластиной 14. Пневмоцилиндр 75 подключен к баллону с сжатым воздухом под давлением менее 10 атм. с электромагнитным клапаном для управления его работой (на фиг. 1 не показаны).In FIG. 1 shows a schematic diagram of the claimed device for a quick analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol drops. The device comprises a suspension unit 7 on a cable or mast, the first 2 and second 3 sequentially and rigidly joined rectangular channels with coaxial, identical, rectangular openings into which a rectangular air duct 7 is inserted for the flow of droplets through the first I and second II the same measuring channels for their quick analysis containing semiconductor lasers 5 and 6 and photodiodes 8 and 9, mounted coaxially on the inner surface of rectangular channels 2 and 3, respectively, an electronic unit 4, located on the channel 2, for powering, controlling and transmitting the signals of the measuring channels to a remote computer (in FIG. 1), moreover, in a rectangular air duct 7 there are lateral coaxial holes for entering 19 and 21 into the measuring channels I and II and output 20 and 22 of them of laser radiation. At the exit of the rectangular air duct 7, a perpendicular and coaxially flat rectangular capacitive cell 10 is installed for analyzing the droplet mass, containing two parallel mesh rectangular electrodes 12 and 13 with an aerosol filter 11 located between them, connected to a unit for measuring their electric capacity 16 and transferring its values to a remote one a computer (not shown in FIG. 1). In front of the inlet 17 of the rectangular air duct 7, a thin metal plate 14 is installed parallel to its inlet for its periodic and consecutive complete overlapping and opening with a double-acting pneumatic cylinder 75 with a rod 23 mounted on the channel 2. The rod 23 is mechanically rigidly connected to the plate 14. The pneumatic cylinder 75 is connected to a cylinder with compressed air under a pressure of less than 10 atm. with an electromagnetic valve to control its operation (not shown in FIG. 1).

Расстояние, на котором установлена перпендикулярно и соосно перед выходным отверстием 18 прямоугольного воздухопровода 7 плоская прямоугольная емкостная ячейка 10 для анализа массы капель, составляет D(C). Значение D(C) совпадает с шириной воздухопровода 7. Емкостная ячейка закреплена на швеллере 3.The distance at which a flat rectangular capacitive cell 10 for analyzing the mass of droplets is installed perpendicularly and coaxially in front of the outlet 18 of the rectangular air duct 7 is D (C). The value of D (C) coincides with the width of the air duct 7. The capacitive cell is mounted on the channel 3.

Расстояние между лазерными лучами от полупроводниковых лазеров 5 и 6 составляет Н=10-15 см; оптическая длина измерительных каналов I и II варьируется от 10 до 30 см, ширина воздухопровода D(C)=3-5 см, а диапазон измерения скорости течения потока капель через измерительные каналы I и II был равен V(t)=2-200 м/с. Длина прямоугольных сетчатых электродов 12 и 13 и аэрозольного фильтра емкостной ячейки L(е) ≈ (1,5-2)L, а их ширина D(е) ≈ (1,5-2)D(C). Расстояние между сетчатыми электродами 12 и 13 варьируется от 2 до 4 мм.The distance between the laser beams from the semiconductor lasers 5 and 6 is H = 10-15 cm; the optical length of the measuring channels I and II varies from 10 to 30 cm, the width of the air duct D (C) = 3-5 cm, and the measuring range of the velocity of the flow of droplets through the measuring channels I and II was V (t) = 2-200 m /from. The length of the rectangular mesh electrodes 12 and 13 and the aerosol filter of the capacitive cell L (e) ≈ (1.5-2) L, and their width D (e) ≈ (1.5-2) D (C). The distance between the mesh electrodes 12 and 13 varies from 2 to 4 mm.

Прямоугольные швеллера 2 и 3 выполнены из пластика, композитных углеводородных материалов или металла.Rectangular channel 2 and 3 are made of plastic, composite hydrocarbon materials or metal.

Для длительной эксплуатации и устранения возможного осаждения капель на поверхность линз объективов лазеров и фотодиодов предусмотрена система их обдува чистым воздухом (на фиг. 1 не показана).For long-term operation and eliminating the possible deposition of droplets on the surface of the lenses of the laser and photodiode lenses, a system for blowing them with clean air is provided (not shown in Fig. 1).

В первом I и втором II канале создаются тонкие по ширине 3-4 мм параллельные лазерные лучи путем использования коллиматоров, установленных на лазерах 5 и 6.In the first I and second II channels, parallel laser beams thin in width 3-4 mm are created by using collimators mounted on lasers 5 and 6.

Устройство работает следующим образом. Его подвешивают на мачте или тросе с помощью блока 1 на высоте до 50 м в атмосфере. Анализируемый конвективный поток капель и воздуха в атмосферном аэрозольном выбросе с расходом Q поступает последовательно в измерительные каналы I и II, а далее осуществляется инерционное осаждение грубодисперсных капель в емкостной ячейки 10.The device operates as follows. It is suspended on a mast or cable using block 1 at a height of up to 50 m in the atmosphere. The analyzed convective flow of droplets and air in an atmospheric aerosol discharge with a flow rate of Q enters sequentially into the measuring channels I and II, and then inertial deposition of coarse droplets in the capacitive cell 10 is carried out.

При движении аэрозольного фронта через измерительные каналы I и II в соответствии с теорией рассеивания плоской электромагнитной волны ослабление потока энергии обусловлено дифракцией волн на контурах частиц диаметром d и рассеиванием за счет отражения и поглощения. Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсной среде можно рассчитывать по формуле I (к) = I₀ exp (-КL), где К - объемный коэффициент ослабления, L - оптическая длина каждого измерительного канала, I₀ и I(к) - интенсивности излучения без и в присутствии капель в анализируемом объеме газа (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987).When the aerosol front moves through the measuring channels I and II in accordance with the theory of scattering of a plane electromagnetic wave, the attenuation of the energy flux is caused by diffraction of waves on the contours of particles of diameter d and scattering due to reflection and absorption. According to the Lambert-Bouguer-Beer law, attenuation of radiation in a dispersed medium can be calculated by the formula I (k) = I ₀ exp (-КL), where K is the volume attenuation coefficient, L is the optical length of each measuring channel, I ₀ and I (k ) - radiation intensities without and in the presence of droplets in the analyzed gas volume (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Hydrometeoizd. 255 p. 1987).

Периодическое перекрывание и открывание входного отверстия 17 для модуляции во времени скорости движения капельного потока осуществляется с помощью пневмоцилиндра двухстороннего действия 15 с штоком 23, соединенным механически с пластиной 14 для осуществления ее возвратно-поступательного движения. Пневмоцилиндр 15 соединен с источником сжатого воздуха из баллона под давлением менее 8-9 атм с электроклапаном (на фиг. 1 не показаны). Время перекрывания лазерных лучей в измерительных каналах I и II составляет менее 0,03 с. В результате этого происходит периодическое изменение скорости потока капель и, соответственно, значений I(к) во времени.Periodic overlapping and opening of the inlet 17 for modulating in time the velocity of the droplet flow is carried out using a double-acting pneumatic cylinder 15 with a rod 23 mechanically connected to the plate 14 to effect its reciprocating motion. The pneumatic cylinder 15 is connected to a source of compressed air from a cylinder under a pressure of less than 8-9 atm with an electrovalve (not shown in Fig. 1). The laser beam overlap time in measuring channels I and II is less than 0.03 s. As a result of this, a periodic change in the velocity of the flow of droplets and, accordingly, the values of I (k) in time occur.

Типичные экспериментальные кривые отклика первого и второго измерительных каналов при последовательном периодическом перекрывании и открывании тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровод 7 приведены на фиг. 2 и 3, где I₀ - интенсивность лазерного излучения при перекрывании входного отверстия воздухопровода и измерительных каналов, а I(к) - интенсивность лазерного излучения в присутствии капель в анализируемом объеме открытых измерительных каналов, регистрируемые фотодиодами в условных единицах.Typical experimental response curves of the first and second measuring channels during sequential periodic overlapping and opening of the inlet of a rectangular air duct 7 with a thin metal plate are shown in FIG. 2 and 3, where I ₀ is the laser radiation intensity when the inlet of the air duct and measuring channels are blocked, and I (k) is the laser radiation intensity in the presence of droplets in the analyzed volume of open measuring channels recorded by the photodiodes in arbitrary units.

Текущая линейная скорость аэрозольного потока в текущий момент времени t рассчитывается по формуле V(t)=H/Δ(t), где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом аэрозольного потока фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t. Величина Δ(t) регистрируется по изменению значений I₀ и I(к), измеряемых фотодиодами и при прохождении фронта аэрозольного потока через измерительные каналы в момент времени t (см. фиг. 2 и 3).The current linear velocity of the aerosol stream at the current time t is calculated by the formula V (t) = H / Δ (t), where Δ (t) is the measured time that the front of the aerosol stream travels a fixed distance H between parallel laser beams of the first and second measuring channels in time t. The value Δ (t) is recorded by the change in the values of I ₀ and I (k) measured by the photodiodes and when the front of the aerosol stream passes through the measuring channels at time t (see Figs. 2 and 3).

Экспериментальные данные передаются на удаленный до 600 метров компьютер из-за требований пожаровзрывобезопасности к выбросам топливных жидкостей. Время быстродействия системы измерения и передачи сигналов электронных блоков 4 и 16 составляет около 10 мкс.The experimental data are transmitted to a computer remote up to 600 meters due to fire and explosion safety requirements for fuel fluid emissions. The response time of the system for measuring and transmitting signals of electronic units 4 and 16 is about 10 μs.

В результате устройство, как и в прототипе, позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха в процессе измерения содержания грубодисперсного капельного аэрозоля в атмосферном воздухе при выбросе жидкостей с их аэродинамическим распылением путем измерения во времени оптической плотности капель D(t)=lg{I₀/I(к)}, их удельной поверхностной концентрации S(t)=π<d(t)²>n(t) = 9,2 D(t)/L, а также значений скорости V(t), где <d(t)²>^0.5 и n(t) - среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация капель от времени t соответственно (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, С.М. Вельмакин, Лазерный анализатор скорости аэрозольных потоков, Ж. Приборы и техника эксперимента, 2019, №4, с. 158-159).As a result, the device, as in the prototype, allows for a quick analysis of air pollution during the measurement of the content of coarse droplet aerosol in atmospheric air during the ejection of liquids with their aerodynamic spraying by measuring the optical density of the drops in time D (t) = log {I ₀ / I (k)}, their specific surface concentration S (t) = π <d (t) ² > n (t) = 9.2 D (t) / L, as well as the values of the velocity V (t), where <d ( t) ² > ^0.5 and n (t) are the root mean square diameter and calculated concentration of droplets versus time t, respectively (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Hydrometeorological publication. 255 p. 1987; A.V. Zagnitko, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, S.M. Velmakin, Laser aerosol flow velocity analyzer, J. Instruments and experimental equipment, 2019, No. 4, pp. 158-159).

В результате установки на выходе прямоугольного воздухопровода 7 перпендикулярно и соосно плоской емкостной ячейки 10 для анализа массы капель, содержащей два параллельных сетчатых прямоугольных электрода 12 и 13 с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, соединенных с блоком измерения их электрической емкости 16 и передачи ее значений в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), а также размещения перед входным отверстием 17 прямоугольного воздухопровода 7 параллельно его входному отверстию 17 тонкой металлической пластины 14 для его периодического, последовательного, полного перекрывания и открывания с помощью пневмопривода, выполненного в виде пневмоцилиндра двухстороннего действия 15 со штоком 23, установленного на швеллере 2, удается достигнуть технического результата путем создания устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель, позволяющего одновременно и быстро измерять оптическую плотность, средний размер, массовою и поверхностную концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, маловязкая нефть и т.п.) при их техногенном или несанкционированном выбросе в виде затопленных струй в атмосферу с их аэродинамическим распылением.As a result of the installation at the outlet of a rectangular air duct 7 perpendicularly and coaxially to a flat capacitive cell 10 for analyzing droplet mass, containing two parallel mesh rectangular electrodes 12 and 13 with an aerosol filter 11 located between them, connected to a unit for measuring their electric capacity 16 and transmitting its values to a remote computer (not shown in FIG. 1), as well as placing a thin metal plate 14 in front of the inlet 17 of the rectangular air duct 7 parallel to its inlet 17 for periodic, sequential, complete overlapping and opening with a pneumatic actuator made in the form of a double-acting pneumatic cylinder 15 with a rod 23 mounted on the channel 2, it is possible to achieve a technical result by creating a device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol drops, allowing at the same time and quickly measure optical density, with the average size, mass and surface concentration of droplets of fuel fluids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, low viscosity oil, etc.) during their technogenic or unauthorized release in the form of flooded jets into the atmosphere with their aerodynamic spraying.

Установленная поперек прямоугольного отверстия 17 тонкая металлическая пластина 14 толщиной около 1 мм для периодического полного закрывания и открывания с периодом от 0,2 до 2 с входного отверстия прямоугольного воздухопровода потока капель и воздуха позволяет периодически перекрывать анализируемый поток капель с расходом Q для его конвективного течения в измерительные каналы I и II и в емкостную ячейку 10. В результате осуществляется периодическая модуляция скорости движения потока капель во времени с периодом от 0,2 до 2 с через измерительные каналы. Это позволяет измерять скорость движения V(t) квазистационарных или стационарных потоков капель Q, а также повысить точность измерения турбулентных и нестационарных потоков капель при аэрозольном высококонцентрированном выбросе топливной жидкости.A thin metal plate 14 mounted across a rectangular opening 17 with a thickness of about 1 mm for periodic complete closing and opening with a period from 0.2 to 2 from the inlet of a rectangular air duct of a droplet and air flow allows periodically blocking the analyzed droplet flow with a flow rate Q for its convective flow in measuring channels I and II and into the capacitive cell 10. As a result, the droplet flow velocity is periodically modulated in time with a period of 0.2 to 2 s through the measuring channels. This makes it possible to measure the velocity V (t) of quasistationary or stationary flows of droplets Q, as well as to increase the accuracy of measuring turbulent and unsteady flows of droplets during aerosol highly concentrated discharge of fuel fluid.

Устройство по прототипу не позволяет осуществлять анализ скорости стационарных или квазистационарных аэрозольных потоков, так как при их анализе нет временной метки изменения значений скорости движения потока капель. В результате отсутствует модуляция интенсивности лазерного излучения в присутствии I(к) и в отсутствии I₀ капель от времени анализа в двух последовательно установленных измерительных каналах I и II с расстоянием между параллельными лазерными лучами Н.The prototype device does not allow the analysis of the velocity of stationary or quasistationary aerosol flows, since when analyzing them there is no time stamp for changing the values of the velocity of the flow of droplets. As a result, there is no modulation of the intensity of laser radiation in the presence of I (k) and in the absence of I ₀ drops from the analysis time in two sequentially installed measuring channels I and II with a distance between N. parallel laser beams.

Расположение емкостной ячейки 10 для анализа массы капель с двумя параллельными электродами 12 и 13, соединенными с блоком измерения их емкости 16 и выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними аэрозольным фильтром 11, перед выходным отверстием прямоугольного воздухопровода 7 позволяет осуществлять инерционное осаждение капель, так как при ее обтекании траектории движения аэрозольных частиц за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на поверхность и внутри пористого высокоэффективного аэрозольного фильтра 11. Пленка жидкого фильтрата впитывается внутрь его пористой структуры. Это позволяет устранить возможный срыв жидкости с поверхности емкостной ячейки и ее аэродинамическое дробление воздушным потоком с образованием вторичных мелких капель.The location of the capacitive cell 10 for analyzing the mass of droplets with two parallel electrodes 12 and 13 connected to the measuring unit of their capacitance 16 and made gas-permeable with the aerosol filter 11 located between them, in front of the outlet of the rectangular air duct 7 allows inertial deposition of droplets, since when it flow around the trajectory of aerosol particles due to their inertia deviate from streamlines and are deposited on the surface and inside the porous high-performance aerosol filter 11. The film of the liquid filtrate is absorbed into its porous structure. This eliminates the possible stall of liquid from the surface of the capacitive cell and its aerodynamic crushing by air flow with the formation of secondary small drops.

Диаметр инерционно осаждаемых грубодисперсных частиц на поверхность и внутри пористого аэрозольного фильтра емкостной ячейки для анализа аэрозолей зависит от их плотности и скорости анализируемого аэрозольного потока V(t) на выходе из прямоугольного отверстия воздухопровода. При типичных скоростях высококонцентрированных аэрозольных выбросов V(t) > 3-5 м/с и для сравнительно крупных дисперсных частиц размером более 0,5 мм их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких частиц, является число Стокса Stk=τ(p)V(t)/D(C), где τ(p) ≈ pd²/18η - время релаксации частиц диаметром d < 150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, D(C) - ширина прямоугольного воздухопровода, ρ ≈ 0,8-1 г/см³ - плотность топливных жидкостей, η - динамическая вязкость воздуха (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет Stk(к) ≈ 0,25-0,3 и при меньших значениях числа Стокса частицы не осаждаются на аэрозольный фильтр емкостной ячейки (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002; Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).The diameter of the inertially deposited coarse particles on the surface and inside the porous aerosol filter of the capacitive cell for aerosol analysis depends on their density and the velocity of the analyzed aerosol stream V (t) at the exit from the rectangular opening of the air duct. At typical velocities of highly concentrated aerosol emissions V (t)> 3-5 m / s and for relatively large dispersed particles larger than 0.5 mm, their paths are close to straight and capture efficiency is ≈ 100%. The main parameter determining the inertial deposition of smaller particles is the Stokes number Stk = τ (p) V (t) / D (C), where τ (p) ≈ pd ² / 18η is the relaxation time of particles with a diameter d <150 μm for which the resistance force of the medium is determined by the Stokes formula, D (C) is the width of the rectangular air duct, ρ ≈ 0.8-1 g / cm ³ is the density of fuel liquids, η is the dynamic viscosity of air (Raist P. Aerosoli, introduction to the theory. Moscow. World 280 p. 1987). The critical Stokes number is Stk (k) ≈ 0.25-0.3 and, at lower values of the Stokes number, particles do not settle on the aerosol filter of the capacitive cell (Sinaisky E.G., Lapiga E.A., Zaitsev Yu.V. Separation of multiphase multicomponent systems. Moscow. Mineral resources. 621 p. 2002; Raist P. Aerosols, introduction to theory. Moscow. Mir. 280 p. 1987).

В процессе инерционного осаждения грубодисперсных аэрозольных частиц топливных жидкостей на поверхности и внутри аэрозольного фильтра плоской емкостной ячейки изменяется ее емкость С, по величине которой путем ее предварительной калибровки определяется масса m(t) грубодисперсных капель от времени анализа t.During the inertial deposition of coarse aerosol particles of fuel liquids on the surface and inside the aerosol filter of a flat capacitive cell, its capacity C changes, the value of which by preliminary calibration determines the mass m (t) of coarse droplets from the analysis time t.

Экспериментально было показано, что величина С слабо зависит от типа топливной жидкости, что обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость керосина, дизельного топлива, маловязкого мазута и нефти ε ≈ 2-2,2. Их удельное сопротивление составляет величину R ≈ 10¹¹-10¹⁴ Ом.см при нормальных условиях, поэтому при накоплении топливных жидкостей в аэрозольном фильтре емкостной ячейки замыкания ее круглых сетчатых электродов не наблюдалось.It was experimentally shown that the value of C weakly depends on the type of fuel fluid, which is due to the fact that the dielectric constant of kerosene, diesel fuel, low-viscosity fuel oil and oil is ε ≈ 2-2.2. Their specific resistance is R ≈ 10 ¹¹ -10 ¹⁴ Ohm.cm under normal conditions, therefore, with the accumulation of fuel liquids in the aerosol filter of the capacitive cell, the closure of its round mesh electrodes was not observed.

В процессе измерения емкости С ее величина периодически модулируется путем перекрывания и открывания прямоугольной тонкой металлической пластиной 11 емкостной ячейки 10 для осаждения капель за счет их инерции. В результате, повышается точность измерения малых значений емкости за счет устранения воздействия аэродинамического давления аэрозольного потока на поверхность аэрозольного фильтра емкостной ячейки и стабилизации значений С за время перекрытия емкостной ячейки. Ее быстродействие составляет менее 0,05-0,1 с.In the process of measuring the capacitance C, its value is periodically modulated by overlapping and opening the capacitive cell 10 to form a droplet by means of their inertia with a rectangular thin metal plate 11. As a result, the accuracy of measuring small capacitance values is improved by eliminating the influence of aerodynamic pressure of the aerosol stream on the surface of the aerosol filter of the capacitive cell and stabilizing the values of C during the overlap of the capacitive cell. Its speed is less than 0.05-0.1 s.

Измерение величины С, связанное с массой капель уловленных капель, позволяет определить значение их средней массовой концентрации в двухфазном потоке при измеренной средней скорости потока капель V(τ) за время отбора τ. Ее величина составляет М(τ)=m(τ)/τS(С)V(τ), где V(τ) и m(τ) - ,соответственно, средняя скорость и масса капель, осевших на аэрозольном фильтре емкостной ячейки за интервал анализа τ, a S(C)=πD(C)²L/4 - площадь прямоугольного воздухопровода, L - его длина, a C D(C) - ширина. Скорость V(τ) определяется как усредненное значение текущих измеренных величин скорости потока капель от времени V(t)=H/Δ(t) за время анализа τ, где Δ(t) - измеренное время прохождения фронтом потока капель фиксированного расстояния Н между параллельными лазерными лучами первого и второго измерительных каналов в момент времени t.The measurement of the C value associated with the mass of droplets of the captured droplets allows one to determine the value of their average mass concentration in a two-phase flow at the measured average droplet flow rate V (τ) during the sampling time τ. Its value is M (τ) = m (τ) / τS (С) V (τ), where V (τ) and m (τ) are, respectively, the average velocity and mass of droplets deposited on the aerosol filter of the capacitive cell during the interval analysis τ, a S (C) = πD (C) ² L / 4 is the area of a rectangular air duct, L is its length, and CD (C) is its width. The velocity V (τ) is defined as the average value of the current measured values of the droplet flow rate versus time V (t) = H / Δ (t) during the analysis time τ, where Δ (t) is the measured time that the droplet flow front travels a fixed distance H between parallel laser beams of the first and second measuring channels at time t.

За время анализа τ средняя массовая концентрация капель М(τ) = πρ<d(τ)³>n(τ)/6, а их измеренная средняя удельная поверхность S(τ) = π<d(τ)²>n(τ), где <d(τ)³> - куб среднемассового диаметра капель и <d(τ)²> - квадрат их среднеквадратичного диаметра. В результате, средний диаметр капель за интервал анализа τ равен d₁(τ)=<d(τ)³>/<d(τ)²> = 6М(τ)/ρS(τ).During the analysis τ, the average mass concentration of droplets is M (τ) = πρ <d (τ) ³ > n (τ) / 6, and their measured average specific surface area S (τ) = π <d (τ) ² > n (τ ), where <d (τ) ³ > is the cube of the mass-average diameter of the droplets and <d (τ) ² > is the square of their rms diameter. As a result, the average droplet diameter over the analysis interval τ is d ₁ (τ) = <d (τ) ³ > / <d (τ) ² > = 6M (τ) / ρS (τ).

Отсутствие изменения емкости плоской емкостной ячейки 10 в процессе анализа капель означает, диаметр капель составляет менее 1-5 мкм в зависимости от величины V(t).The absence of a change in the capacitance of a flat capacitive cell 10 during the analysis of droplets means that the diameter of the droplets is less than 1-5 microns, depending on the value of V (t).

Результаты измерения содержания аэрозолей и загрязненности воздуха капельным выбросом топливных жидкостей передаются с периодом 10 мкс блоком 15 по витой паре в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан), где программа обрабатывает и сохраняет полученные данные. Собранная информация непрерывно транслируется на пункт анализа по оптоволоконной линии длиной до 5-10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение позволяет сохранять данные и отображать их на экране головного компьютера в реальном масштабе времени в виде таблиц и графиков (на фиг. 1 не показан).The results of measuring the aerosol content and air pollution by droplet discharge of fuel liquids are transmitted with a period of 10 μs by block 15 via twisted pair cable to a remote computer (not shown in Fig. 1), where the program processes and stores the obtained data. The collected information is continuously transmitted to the analysis point via a fiber optic line up to 5-10 km long with a 100 Mbps Ethernet network interface. The software allows you to save data and display them on the screen of the host computer in real time in the form of tables and graphs (not shown in Fig. 1).

Пример 1Example 1

Осуществлялся анализ стационарного по времени потока капель керосина, создаваемых пневматическим распылителем типа ЭКРП-600 в лабораторных условиях. Оптическая длина L = 15 см. Длина и ширина пластины 14 из нержавеющей стали составляла 20 и 5 см. Период ее возвратно-поступательного движения для перекрывания потока капель Q в измерительные каналы I и II, а. также в емкостную ячейку 10 составлял ≈1,1 с.An analysis was made of the time-stationary flow of kerosene droplets created by an EKRP-600 type pneumatic atomizer in laboratory conditions. The optical length L = 15 cm. The length and width of the stainless steel plate 14 was 20 and 5 cm. The period of its reciprocating movement to block the flow of droplets Q into the measuring channels I and II, a. also in the capacitive cell 10 was ≈1.1 s.

Для дистанционного возвратно-поступательного перемещения пластины 14 использовался пневмопривод, включающий пневмоцилиндр 15 двухстороннего действия со штоком 23, соединенный механически с пластиной 14. Мини пневмоцилиндр со стальной гильзой серии IAS был соединен с источником фильтрованного сжатого воздуха от баллона с давлением менее 9 атм. с электромагнитным клапаном (на фиг. 1. не показаны). Скорость хода штока около 0,7-0,8 м/с при напряжении питания 12 В. Его ход составлял 5 см. Это позволяло перекрывать и открывать лазерный луч шириной 0,018 м в измерительный каналах I и II за временной интервал менее 0,025 с с заданным периодом 1,1 с.For remote reciprocating movement of the plate 14, a pneumatic actuator was used, including a double-acting pneumatic cylinder 15 with a rod 23, mechanically connected to the plate 14. A mini pneumatic cylinder with a steel sleeve of the IAS series was connected to a filtered compressed air source from a cylinder with a pressure of less than 9 atm. with a solenoid valve (not shown in FIG. 1.). The rod travel speed of about 0.7-0.8 m / s with a supply voltage of 12 V. Its stroke was 5 cm. This made it possible to block and open a laser beam with a width of 0.018 m in the measuring channels I and II for a time interval of less than 0.025 s with a given 1.1 s period

На фиг. 3 показаны экспериментальные кривые значений I₀ и I(к) первого и второго измерительных каналов от времени t при перекрывании (значения I₀) и открывании [значения I(к)] тонкой металлической пластиной входного отверстия прямоугольного воздухопровода 7 для измерения текущей скорости стационарного капельного потока V(t). Точки А и Б соответствуют перекрытию входного отверстия воздухопровода и значениям I₀ и I(к) от времени t, измеренных в первом и втором измерительных каналах соответственно. Время движения потока через первый и второй измерительные каналы Δ(t)=Т(Б)-Т(А) ≈ 0,02 с, где Т(А) = 0,4303 с - характерное время перекрывания первого измерительного канала согласно значением I(к) и I₀, а Т(Б) = 0,4505 с - время перекрывания второго измерительного канала, согласно значением I(к) и I₀. В результате, V(t)=H/Δ(t) ≈ 5 м/с при расстоянии между параллельными лазерными лучами Н = 0,1 м.In FIG. Figure 3 shows the experimental curves of the values of I ₀ and I (k) of the first and second measuring channels versus time t when they overlap (values I ₀ ) and open [the values of I (k)] with a thin metal plate of the inlet of a rectangular air duct 7 for measuring the current speed of a stationary drip flow V (t). Points A and B correspond to the overlap of the air inlet and the values of I ₀ and I (k) versus time t measured in the first and second measuring channels, respectively. The flow time through the first and second measuring channels is Δ (t) = T (B) -T (A) ≈ 0.02 s, where T (A) = 0.4303 s is the characteristic time of overlapping of the first measuring channel according to the value I ( k) and I ₀ , and T (B) = 0.4505 s is the overlap time of the second measuring channel, according to the value of I (k) and I ₀ . As a result, V (t) = H / Δ (t) ≈ 5 m / s with a distance between parallel laser beams of H = 0.1 m.

За время отбора пробы τ ≈ 0,55 с на поверхность емкостной ячейки 10 величина С изменилась на 15%. В результате массовая концентрация капель керосина в затопленной струе М(τ) ≈ 120 г/м³, их оптическая плотность D(τ) ≈ 0,05 и поверхностная концентрация S(τ) = 3,07 м²/м³. Средний диаметр капель d₁(τ) = <d(τ)³>/<d(τ)²> = 6М(τ)/ρS(τ) ≈ 290 мкм.During the sampling time τ ≈ 0.55 s on the surface of the capacitive cell 10, the C value changed by 15%. As a result, the mass concentration of kerosene droplets in the flooded stream M (τ) ≈ 120 g / m ³ , their optical density D (τ) ≈ 0.05 and the surface concentration S (τ) = 3.07 m ² / m ³ . The average diameter of the droplets is d ₁ (τ) = <d (τ) ³ > / <d (τ) ² > = 6М (τ) / ρS (τ) ≈ 290 μm.

Измеренные параметры аэрозольного потока удовлетворительно совпадали с значениями массовой концентрации и среднего размера капель, а также скорости их движения измеренные весовым методом, результатами отбора капель в импакторе и данными анемометра для измерения V(τ) (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002; Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).The measured aerosol flow parameters satisfactorily coincided with the values of the mass concentration and average droplet size, as well as the velocities of their movement measured by the weight method, the results of the droplet selection in the impactor and the data of the anemometer for measuring V (τ) (Sinaisky E.G., Lapiga E.A. , Zaitsev Yu.V. Separation of multiphase multicomponent systems. Moscow. Mineral resources. 621 p. 2002; Raist P. Aerosols, introduction to theory. Moscow. Mir. 280 p. 1987).

Быстродействие измерения оптической плотности и удельной поверхности капель составляло 1 мс; быстродействие измерения скорости движения аэрозольного потока было равно около 10 мкс; быстродействие действие измерения массовой конценрации и среднего размера капель составляло около 0,5 с.The speed of measuring the optical density and specific surface area of the droplets was 1 ms; the speed of measuring the velocity of the aerosol stream was about 10 μs; speed The effect of measuring mass concentration and average droplet size was about 0.5 s.

Пример 2.Example 2

Разработанное устройство было использовано при проведении масштабных экспериментов, связанных с моделированием аварий в системах хранения топливных жидкостей. Анализировалась загрязненность воздуха турбулентным потоком грубодисперсных капель с d ≈ 30-3000 мкм в процессе импульсного диспергирования нескольких сотен тонн керосина ТС-1 с образованием в атмосфере выброса в виде затопленной двухфазной струи объемом более 10⁴ м³. Ее диаметр варьировался от 10 до 20 м, а длина от 80 до 100 м.The developed device was used during large-scale experiments related to the modeling of accidents in fuel liquid storage systems. We analyzed air pollution by a turbulent flow of coarse droplets with d ≈ 30-3000 μm during the pulsed dispersion of several hundred tons of TS-1 kerosene with the formation in the atmosphere of an emission in the form of a flooded two-phase jet with a volume of more than 10 ⁴ m ³ . Its diameter ranged from 10 to 20 m and a length of 80 to 100 m.

Устройство размешалось на мачте на высоте около 5 м. Прямоугольные швеллера 2 и 3 были выполнены из дюраля длиной 100 см и шириной 8 см; прямоугольный размер отверстий 17 и 18 составлял L = 15 и D(C) = 4 см; напряжение питания 24 В; мощность излучения с длиной волны 0,68 мкм лазеров 5 и 6 была равна около 5 мВт; временное разрешение ≈ 1 мс; оптическая длина рассеивания лазерного излучения каплями L = 15 см в измерительных каналах I или II; диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D ≈ 0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S = 0,5-150 м²/м³; анализируемый объем аэрозолей около 20 см³; диапазон рабочей температуры Т = (5-50)°С; временное разрешение при регистрации температуры облаков или двухфазных атмосферных выбросов термопарами хромель-алюмель составлял около 150 мс; быстродействие электронных блоков 4 и 16 составляло около 10 мкс.The device was placed on the mast at a height of about 5 m. Rectangular channels 2 and 3 were made of duralumin 100 cm long and 8 cm wide; the rectangular size of the holes 17 and 18 was L = 15 and D (C) = 4 cm; supply voltage 24 V; the radiation power with a wavelength of 0.68 microns of lasers 5 and 6 was equal to about 5 mW; time resolution ≈ 1 ms; the optical length of the scattering of laser radiation by droplets L = 15 cm in the measuring channels I or II; the range of measuring the optical density of aerosols D ≈ 0.03-3.5; measured surface concentration S = 0.5-150 m ² / m ³ ; the analyzed aerosol volume is about 20 cm ³ ; operating temperature range T = (5-50) ° С; the time resolution when registering the temperature of clouds or two-phase atmospheric emissions with chromel-alumel thermocouples was about 150 ms; the speed of electronic units 4 and 16 was about 10 μs.

Размеры электродов 12 и 13 и аэрозольного фильтра 11 совпадали и составляли ≈ 25×7 см. Расстояние между электродами 12 и 13 было равно 0,2 см. Быстродействие емкостной ячейки не превышало 0,08 с. Расчетное значение электрической емкости ячейки 10 в отсутствии фильтрата керосина С ≈ 77 пФ и ее величина практически совпадала с измеренным значением С = 78,5 пФ.The sizes of the electrodes 12 and 13 and the aerosol filter 11 coincided and amounted to ≈ 25 × 7 cm. The distance between the electrodes 12 and 13 was 0.2 cm. The performance of the capacitive cell did not exceed 0.08 s. The calculated value of the electric capacity of cell 10 in the absence of kerosene filtrate is C ≈ 77 pF and its value almost coincided with the measured value of C = 78.5 pF.

Длина и ширина пластины 14 из нержавеющей стали составляла 20 и 5 см. Период ее возвратно-поступательного движения для перекрывания потока капель Q в измерительные каналы I и II, а также в емкостную ячейку 10 составлял 2 с.The length and width of the stainless steel plate 14 was 20 and 5 cm. The period of its reciprocating movement to block the flow of droplets Q into the measuring channels I and II, as well as into the capacitive cell 10, was 2 s.

Для дистанционного возвратно-поступательного перемещения пластины 14 использовался пневмопривод, включающий пневмоцилиндр 15 двухстороннего действия со штоком 23, соединенный механически с пластиной 14. Мини пневмоцилиндр со стальной гильзой серии IAS был соединен с источником фильтрованного сжатого воздуха от баллона с давлением менее 9 атм. с электромагнитным клапаном (на фиг. 1. не показаны). Скорость хода штока около 0,7-0,8 м/с при напряжении питания 12 В. Его ход составлял 5 см. Это позволяло перекрывать и открывать лазерный луч шириной 0,018 м в измерительный каналах I к II за временной интервал менее 0,025 с с заданным периодом 2 с.For remote reciprocating movement of the plate 14, a pneumatic actuator was used, including a double-acting pneumatic cylinder 15 with a rod 23, mechanically connected to the plate 14. A mini pneumatic cylinder with a steel sleeve of the IAS series was connected to a filtered compressed air source from a cylinder with a pressure of less than 9 atm. with a solenoid valve (not shown in FIG. 1.). The rod travel speed of about 0.7-0.8 m / s with a supply voltage of 12 V. Its stroke was 5 cm. This made it possible to block and open a laser beam with a width of 0.018 m in the measuring channels I to II for a time interval of less than 0.025 s with a given period of 2 s.

Показано, что на оси струи на высоте 5 м и расстоянии 40 м от емкости с распыленным керосином значения V(t) флуктуировали от 5 до 45 м/с за время анализа τ=1 с. Их среднее арифметическое значение за 1 с составляло V(τ) ≈ 20.5 м/с, а величина ее стандартного отклонения σ(U) ≈ 9.8 м/с при скорости ветра в атмосфере 1-4 м/с и температуре воздуха 28-29°С. Полученные данные согласуются с данными видео наблюдений за скоростью распространения аэрозольного фронта от емкости до анализатора в процессе диспергирования жидкости. Измеренные величины D и S пульсировали от 0.1 до 3.5 и от 5 до 150 м²/м³ за время анализа τ=1 с, а их средние значения D(τ) = 0,26 и S(τ) = 9,2D(τ)/L ≈ 17,7 м²/м³.It was shown that on the jet axis at a height of 5 m and a distance of 40 m from the tank with sprayed kerosene, the values of V (t) fluctuated from 5 to 45 m / s during the analysis time τ = 1 s. Their arithmetic mean value for 1 s was V (τ) ≈ 20.5 m / s, and its standard deviation σ (U) ≈ 9.8 m / s at a wind speed in the atmosphere of 1-4 m / s and an air temperature of 28-29 ° FROM. The data obtained are consistent with video observations of the velocity of propagation of the aerosol front from the container to the analyzer during the dispersion of the liquid. The measured values of D and S pulsed from 0.1 to 3.5 and from 5 to 150 m ² / m ³ during the analysis time τ = 1 s, and their average values D (τ) = 0.26 and S (τ) = 9.2D ( τ) / L ≈ 17.7 m ² / m ³ .

При осаждении капель диаметром 20 мкм при скорости 20,5 м/с и D(C) = 4 см число Стокса составляло Stk > 10, что существенно превышает критическое число Стокса ≈ 0,25 выбранной геометрии расположения емкостной ячейки по отношению к выходному отверстию 18 воздухопровода 7. Таким образом, капли керосина диаметром более 20 мкм осаждались на поверхность фильтра емкостной ячейки 10 с эффективностью более 95%. Это результат был экспериментально подтвержден в лабораторных экспериментах при распылении керосина пневматическим генератором.When droplets with a diameter of 20 μm were deposited at a speed of 20.5 m / s and D (C) = 4 cm, the Stokes number was Stk> 10, which significantly exceeds the critical Stokes number ≈ 0.25 of the selected geometry of the location of the capacitive cell with respect to the outlet 18 air duct 7. Thus, droplets of kerosene with a diameter of more than 20 μm were deposited on the filter surface of the capacitive cell 10 with an efficiency of more than 95%. This result was experimentally confirmed in laboratory experiments when spraying kerosene with a pneumatic generator.

Изменение величины емкости за 1 с составило около 25%. В результате массовая концентрация капель М(τ=1с)≈(250-270) г/м³, а средний диаметр d₁(τ)=<d(τ)³>/<d(τ)²> = 6М(τ)/ρS(τ) ≈ 110 мкм.The change in the capacitance value for 1 s was about 25%. As a result, the droplet mass concentration M (τ = 1s) ≈ (250-270) g / m ³ , and the average diameter d ₁ (τ) = <d (τ) ³ > / <d (τ) ² > = 6М (τ ) / ρS (τ) ≈ 110 μm.

Быстродействие измерения оптической плотности и удельной поверхности капель составляло 1 мс; быстродействие измерения скорости движения аэрозольного потока было равно около 10 мкс; быстродействие действие измерения массовой концентрации и среднего размера капель составляло около 0,5 с.The speed of measuring the optical density and specific surface area of the droplets was 1 ms; the speed of measuring the velocity of the aerosol stream was about 10 μs; speed The effect of measuring the mass concentration and average droplet size was about 0.5 s.

Результаты одновременного анализа оптической плотности, среднего диаметра, массовой и поверхностной концентрации капель керосина в атмосферном высококонцентрированном аэрозольном выбросе с интенсивным перемешиванием воздуха и капель передавались электронным блоком 4 с периодом 10 мкс по витой паре в удаленный на 600 м компьютер (на фиг. 1 не показан), где программа обрабатывала и сохраняла полученные данные. Собранная информация непрерывно поступала с удаленного компьютера на головной пункт анализа по оптоволоконной линии длиной 4000 м с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение непрерывно отображала данные на экране головного компьютера.The results of a simultaneous analysis of the optical density, average diameter, mass and surface concentration of kerosene droplets in an atmospheric highly concentrated aerosol discharge with intensive mixing of air and droplets were transmitted by electronic unit 4 with a period of 10 μs over twisted pair to a computer remote at 600 m (not shown in Fig. 1 ), where the program processed and saved the received data. The collected information was continuously sent from a remote computer to the analysis headquarters via a 4000 m fiber optic line with a 100 Mbps Ethernet network interface. The software continuously displayed data on the host computer screen.

Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для быстрого анализа загрязненности воздуха атмосферными высококонцентрированными аэрозольными выбросами капель с прототипом показывает, что за счет использования модуляции аэрозольного потока по скорости и концентрации капель с помощью тонкой пластины, совершающей возвратно-поступательное движение для периодического перекрывания и открывания воздухопровода для подачи аэрозольного потока в измерительные каналы их анализа, а также установки емкостной ячейки для измерения массы капель на выходе из воздухопровода капельного потока с модулируемой скоростью движения осуществляется одновременный и быстрый анализ оптической плотности, среднего диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах. Устройство по прототипу не позволяет осуществлять быстрый анализ загрязненности воздуха путем измерения оптической плотности, среднего диаметра, массовой и поверхностной концентрации капель топливных жидкостей в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах топливных жидкостей.Thus, a comparison of the characteristics of the claimed device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions with the prototype shows that due to the use of modulation of the aerosol flow in speed and concentration of droplets using a thin plate that performs reciprocating motion for periodic blocking and opening of the air duct for The aerosol flow is fed into the measuring channels for their analysis, as well as the installation of a capacitive cell for measuring the mass of droplets at the outlet of the airflow of the droplet flow with a modulated speed of movement. Simultaneous and fast analysis of the optical density, average diameter, mass, counting and surface concentration of droplets of fuel liquids (kerosene) , diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc.) in atmospheric highly concentrated aerosol emissions. The prototype device does not allow a quick analysis of air pollution by measuring the optical density, average diameter, mass and surface concentration of droplets of fuel fluids in atmospheric highly concentrated aerosol emissions of fuel fluids.

Claims

A device for the rapid analysis of air pollution by atmospheric highly concentrated aerosol droplet emissions, containing a suspension unit, first and second sequentially and rigidly joined rectangular channels with coaxial identical rectangular openings, into which a rectangular air duct is inserted through the first and second identical and parallel measuring channels for quick flow analysis drops containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of the rectangular channels, an electronic unit on the channel for powering, controlling and transmitting the signals of the measuring channels to the remote computer, and in the rectangular air duct there are lateral coaxial openings for entering and leaving the measuring channels laser radiation, characterized in that at the exit of the rectangular air duct there is a perpendicular and coaxially flat capacitive cell for analyzing the mass of droplets, including two parallel reticules of rectangular electrodes with an aerosol filter located between them, connected to a unit for measuring their electric capacitance and transmitting its values to a remote computer, and in front of the inlet of the rectangular air duct, a thin metal plate is installed parallel to its inlet for periodic periodic overlapping and opening, mechanically connected to the rod of a double-acting pneumatic cylinder mounted on the channel.