RU213052U1 - Устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам инфракрасной измерительной техники и может быть использована для одновременного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу. Сущность: устройство содержит дюралюминиевый корпус (22), оснащенный блоком (17) подвески. Внутри корпуса (22) выполнены первый и второй измерительные каналы (1, 2), а также расположен электронный блок (18). Оба измерительных канала (1, 2) содержат соосные полупроводниковые лазеры (9, 10) и фотодиоды (11, 12). В первом измерительном канале (1) также установлен пористый цилиндр (8) для сепарации крупных капель. На выходе второго измерительного канала (2) размещен оптический инфракрасный газоанализатор (19) с аэрозольным фильтром (20) и аспиратором (21) воздуха. При этом оба измерительных канала (1, 2) представляют собой три дюралюминиевые горизонтальные параллельные пластины (5-7), соединенные сваркой с параллельными вертикальными пластинами (3, 4) корпуса. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет уменьшения веса. 3 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для одновременного анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей (керосин, мазут, сжиженный природный газ (СПГ), нефть и т.п.) в атмосферу, мониторинга окружающей среды и техногенных аварий.

Уровень техники

Известно фотоэлектрическое устройство для измерения концентрации и размеров облачных капель (авторское свидетельство СССР №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, оптическую линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Его недостатком является невозможность одновременного анализа капель и паров углеводородов в атмосфере.

Известно устройство для измерения запыленности воздушного потока (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отбора воздуха с фильтром на входе, побудитель аспирации воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок сопротивления фильтра. Устройство тарируется в зависимости от аэродинамического сопротивления фильтра и массы фильтрата. Его недостатком является невозможность анализа паров углеводородов.

Известен газоанализатор метана с сенсорным модулем, включающим газовый датчик, плату для обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Недостатком устройства является невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров углеводородов в атмосфере.

Известен газоанализатор горючих газов (патент РФ на полезную модель №127928), содержащий набор съемных газовых сенсоров, расположенных в газовом канале с внешним обогревателем, внутренний измеритель температуры газов, аэрозольный фильтр на входе в газовый канал, на выходе из которого установлен аспиратор расхода газа, и электронный модуль, включающий платы питания, интерфейса, внешней коммутации и управления. Его недостатком является невозможность одновременного анализа аэрозолей и паров углеводородов.

Известен инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод и фотодиод, электронный модуль, с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом цифровых сигналов. Его недостатком является невозможность одновременного анализа паров и аэрозолей углеводородов.

Известно устройство для измерения содержания газов и пыли 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 и внутренней газовой камерой, внутри которой размещен газовый сенсор, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен в виде сетки, установленной снаружи катушки. Недостатком данного устройства является забивка фильтрующего элемента фильтратом и необходимость его периодической замены в процессе эксплуатации, а также дрейф начальной емкости из-за забивки фильтра.

Известен оптический инфракрасный газоанализатор (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса. Его недостатком является невозможность одновременного анализа выбросов содержания паров и аэрозолей углеводородов в атмосфере.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов в атмосфере, содержащее блок его подвески, металлический корпус в виде первого и второго горизонтальных параллельных жестко связанных прямоугольных швеллеров из дюралюминия с входными прямоугольными отверстиями для течения двухфазного потока аэрозолей и газов через измерительные прямоугольные каналы анализа капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды с оптическими линзами, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок для питания и управления с системой оцифровывания и передачи сигналов измерительных каналов, сепаратор грубодисперсных капель, установленный перед прямоугольным отверстием для течения двухфазного потока аэрозолей и газов в измерительный канал, и состоящий из прямоугольного канала постоянного сечения с расположенным в нем пористым цилиндром с его поперечным обтеканием двухфазным потоком аэрозолей и паров, и оптический инфракрасный газоанализатор с аспиратором расхода потока воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через аэрозольный фильтр, установленный на выходе анализируемого двухфазного потока аэрозолей и паров углеводородов из измерительного канала (патент РФ на полезную модель №196118, прототип). Каждый полупроводниковый лазер и фотодиод установлены соосно с защитными цилиндрическими трубками из дюралюминия для уменьшения загрязнения дисперсным осадком оптических линз (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).

Устройство по прототипу позволяет анализировать содержание аэрозолей в выбросах топливных жидкостей в атмосферу путем измерения оптической плотности D=lg(I₀/I) и поверхностной концентрации S=π<d²>n мелких и грубодисперсных капель, где I₀ и I - интенсивность лазерного излучения без и в присутствии аэрозолей, n и <d²>^0.5 - их счетная концентрация и среднеквадратичный диаметр. Одновременно, измеряется содержание паров оптическим инфракрасным газоанализатором с аспиратором и аэрозольным фильтром.

Устройство по прототипу устанавливается на мачте или тросе на высоте до 50 м. Его недостатком является существенный более шести килограмм вес, обусловленный значительной металлоемкостью и размерами конструкции. Это практически исключает использование столь тяжелого прототипа для сканирования облаков углеводородов на высоте от 50 до 200 метров путем крепления блоком подвески к стандартному беспилотному летающему аппарату типа квадрокоптер с вертикальными двигателями и винтовыми пропеллерами с ограниченной подъемной тягой воздушной струи (БПЛА, патент РФ на изобретение №2743493).

Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства и расширение его функциональных возможностей.

Раскрытие сущности полезной модели

Техническим результатом заявленной полезной модели является унификация конструкции устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу и расширение его функциональных возможностей путем уменьшения веса устройства за счет оптимизации и создания его конструкции с меньшей металлоемкостью.

Для достижения технического результата предложено устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу, включающее блок его подвески, электронный блок, корпус из дюралюминия с отверстиями для течения потока аэрозолей и паров углеводородов через горизонтальные, параллельные первый и второй измерительные прямоугольные каналы с соосными полупроводниковыми лазерами и фотодиодами, причем в первом измерительном прямоугольном канале установлен на входе пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель, а на выходе второго измерительного прямоугольного канала размещен оптический инфракрасный газоанализатор с аэрозольным фильтром и аспиратором воздуха, при этом, корпус выполнен из двух параллельных, вертикальных прямоугольных дюралюминиевых пластин, в отверстия которых сваркой закреплены полупроводниковые лазеры и фотодиоды горизонтальных параллельных первого и второго измерительных прямоугольных каналов и пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель в горизонтальном первом измерительном прямоугольном канале, при этом первый и второй измерительные прямоугольные каналы представляют собой три дюралюминиевые горизонтальные параллельные пластины, соединенные сваркой с параллельными, вертикальными пластинами корпуса.

В результате создания корпуса из двух параллельных, вертикальных прямоугольных пластин из дюралюминия и двух горизонтальных, параллельных измерительных прямоугольных каналы из трех горизонтальных параллельных пластин из дюралюминия, соединенных сваркой с параллельными, вертикальными пластинами корпуса из дюралюминия, установки на их поверхности перпендикулярно соосных полупроводниковых лазеров и фотодиодов горизонтальных параллельных первого и второго измерительных прямоугольных каналов и пористого цилиндра с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель в горизонтальном первом измерительном прямоугольном канале, достигается технический результат заявленной полезной модели путем унификации ее конструкции и расширения функциональных возможностей за счет уменьшения веса прямоугольного корпуса устройства из дюралюминия для облегчения конструкции в результате уменьшения ее металлоемкости и размеров. Это позволяет сканировать выбросы и облака углеводородов на высоте до 200 метров путем подвески устройства к БПЛА типа квадрокоптер (патент РФ на изобретение №2743493) за счет создания существенно отличающейся от прототипа облегченной конструкции в виде прямоугольного параллелепипеда с меньшей металлоемкостью.

В заявленном устройстве и в прототипе геометрические размеры (ширина, длина и высота) параллельных первого и второго измерительных прямоугольных каналов с соосными полупроводниковыми лазерами и фотодиодов совпадают. Как и в прототипе, для детектирования паров углеводородов установлен сенсор MIPEX по патенту РФ на изобретение №2187093 с аспиратором анализируемой смеси аэрозолей и паров углеводородов через аэрозольный фильтр, установленный на входе в оптический инфракрасный газоанализатор, согласно патенту РФ на полезную модель №191610, а для сепарации крупных капель используется идентичный пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов, установленный в горизонтальном первом прямоугольном, измерительном канале на входе. Все металлические элементы конструкции изготовлены на основе дюралюминия из сплава Д16Т. В результате, как и прототип, заявляемое устройство позволяет анализировать содержание паров, мелких и крупных аэрозолей углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу в горизонтальных параллельных первом и втором измерительных прямоугольных каналах. Причем создание оптимизированной по весу конструкции заявленного устройства в виде прямоугольного параллелепипеда, существенно отличающейся от прототипа с корпусом из двух соединенных удлиненных прямоугольных швеллеров и с первым и вторым горизонтальными параллельными измерительными каналами для анализа аэрозолей и паров углеводородов, позволило значительно (более чем в 5 раз) уменьшить его вес за счет уменьшения металлоемкости по сравнению металлоемкостью конструкции прототипа. Это позволяет через блок подвески установить облегченную заявляемую конструкцию может к стандартному БПЛА типа квадрокоптер (патент РФ на изобретение №2743493) для сканирования на высоте до 200 метров облаков углеводородов по объему при выбросе топливных жидкостей в атмосферу с образованием топливно-воздушных смесей (ТВС). Подвеску устройства по прототипу к стандартным БПЛА типа квадрокоптер для сканирования облаков ТВС на высоте от 50 до 200 метров на практике не удается реализовать, вследствие его относительно большого веса из-за значительной металлоемкости не оптимальной конструкции.

В результате достигается технический результат заявленной полезной модели путем унификации конструкции и расширения функциональных возможностей за счет уменьшения ее веса вследствие создания конструкции в виде прямоугольного параллелепипеда из дюралюминия, существенно отличающейся от конструкции устройства по прототипу с двумя удлиненными швеллерами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства, на фиг. 2 вид устройства сбоку, на фиг. 3 сборка полупроводникового лазера, где

1 и 2 - горизонтальные, параллельные первый и второй измерительные прямоугольные каналы с соосными полупроводниковыми лазерами 9 я 10 и фотодиодами 11 и 12;

3 и 4 - две параллельные, вертикальные прямоугольные пластины корпуса 22 из дюралюминия с соосными отверстиями для винтового крепления полупроводниковых лазеров 9 и 10 и фотодиодов 11 и 12;

5, 6 и 7 - три горизонтальные параллельные пластины из дюралюминия, соединенные сваркой с параллельными, вертикальными пластинами 3 и 4 корпуса из дюралюминия для изготовления горизонтальных параллельных измерительных прямоугольных каналов 7 и 2;

8 - пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов в горизонтальном, установленный для сепарации крупных капель на входе в прямоугольный измерительный канал 7;

9 и 10 - два параллельных полупроводниковых лазера с защитными от аэрозолей цилиндрическими трубками 13 и 15 для анализа аэрозолей в горизонтальных, параллельных первом и втором прямоугольных измерительных каналах;

11 и 12 - два параллельных полупроводниковых фотодиода с защитными от попадания аэрозолей цилиндрическими трубками 14 и 16 для регистрации лазерного излучения полупроводниковых лазеров 9 и 10;

13 и 15 - защитные от аэрозолей цилиндрические трубки полупроводниковых лазеров 9 и 10;

14 и 16 - защитные от аэрозолей цилиндрические трубки полупроводниковых фотодиодов 11 и 12;

17 - блок подвески устройства на мачте, тросе или к БПЛА;

18 - электронный блок устройства;

19 - инфракрасный газоанализатор паров углеводородов, установленный во втором прямоугольном измерительном канале 2 выходе на горизонтальной пластине из дюраля 7 по ее центру;

20 - аэрозольный фильтр оптического инфракрасного газоанализатора 19;

21 - аспиратор воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через аэрозольный фильтр 20 оптического инфракрасного газоанализатора 19;

22 - корпус из дюралюминия, включающий две параллельные, вертикальные и прямоугольные пластины 3 и 4, соединенные сваркой с горизонтальными параллельными пластинами 5, 6 и 7 из дюралюминия;

23 - сборка полупроводникового лазера 9 с защитной от попадания аэрозолей цилиндрической трубкой 13 и оптической линзой 24;

h - ширина параллельных вертикальных прямоугольных пластин 3 и 4;

Н - высота параллельных вертикальных прямоугольных пластин 3 и 4;

L - оптическая длина горизонтальных параллельных измерительных прямоугольных каналов 7 и 2 с соосными полупроводниковыми лазерами 9 и 10 и фотодиодами 11 и 12;

q - объемный расход воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через аэрозольный фильтр 20 оптического инфракрасного газоанализатора 19;

Q - поток аэрозолей и паров углеводородов в горизонтальные, параллельные первый и второй измерительные прямоугольные каналы.

Осуществление полезной модели

На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу.

Устройство включает горизонтальные параллельные первый 7 и второй 2 измерительные прямоугольные каналы с соосными полупроводниковыми лазерами 9 и 10 и фотодиодами 11 и 12, две параллельные вертикальные прямоугольные пластины 3 и 4 корпуса 22 из дюралюминия с четырьмя соосными отверстиями для винтового крепления полупроводниковых лазеров 9 и 10 и фотодиодов 11 и 12, три горизонтальные параллельные пластины из дюралюминия 5, 6 и 7, соединенные сваркой с параллельными вертикальными пластинами 3 и 4 корпуса 22 из дюралюминия для изготовления первого и второго горизонтальных параллельных измерительных прямоугольных каналов, пористый цилиндр 8 с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов, установленный в горизонтальном, прямоугольном измерительном канале 1 на входе для сепарации крупных капель, блок подвески устройства 17, электронный блок 18, инфракрасный газоанализатор паров углеводородов 19, расположенный во втором прямоугольном измерительном канале с аэрозольным фильтром 20 на входе оптического инфракрасного газоанализатора 19 с аспиратором 21 расхода q воздуха с аэрозолями и парами углеводородов через аэрозольный фильтр 20.

Два параллельных полупроводниковых лазера 9 я 10 защищены от попадания аэрозолей углеводородов цилиндрическими трубками 13 и 15 и предназначены для анализа аэрозолей в горизонтальных параллельных первом и втором прямоугольных, измерительных каналах.

Два параллельных полупроводниковых фотодиода 77 и 72 защищены от попадания аэрозолей цилиндрическими трубками 14 и 16 для регистрации лазерного излучения полупроводниковых лазеров 9 и 10 в горизонтальных параллельных первом и втором прямоугольных измерительных каналах.

Два параллельных полупроводниковых лазера 9 и 10 с защитными от попадания аэрозолей углеводородов цилиндрическими трубками 13 и 15 закреплены перпендикулярно поверхности вертикальной прямоугольной пластины 7 с отверстиями для прохождения лазерного излучения в измерительные каналы 7 и 2 и винтового крепления полупроводниковых лазеров.

Два параллельных фотодиода 11 и 12 с защитными от попадания аэрозолей углеводородов цилиндрическими трубками 14 и 16 размещены перпендикулярно поверхности вертикальный прямоугольной пластины 2 из дюралюминия с соосными отверстиями для регистрации лазерного излучения полупроводниковых лазеров 9 и 10 и винтового крепления фотодиодов 77 и 72.

Сборка 23 полупроводникового лазера 9 с защитной от попадания аэрозолей цилиндрической трубкой 13 содержит оптическую линзу 24. Аналогично выполнены сборки лазера 10 и фотодиодов 11 и 12 с оптическими линзами.

Оптимальная оптическая длина горизонтальных, параллельных, измерительных прямоугольных каналов 7 и 2 с соосными полупроводниковыми лазерами 9 и 10 и фотодиодами 11 и 12 составляет L 20-25 см, их ширина составляет 2-2,5 см, а длина h=9-11 см. По форме и геометрии измерительные каналы 7 и 2 с постоянным сечением совпадают.

Оптимальная высота параллельных, вертикальных, прямоугольных пластин 3 и 4 из дюралюминия Н=11-13 см, а их ширина h=9-11 см.

Электронный блок 18, закрепленной на вертикальной пластине 3 из дюралюминия предназначен для питания и управления измерительными каналами 7 и 2 с системой оцифровывания и передачи их сигналов к удаленному компьютеру с использованием витой пары с одновременной записью на карту памяти.

На входе измерительного канала 7 установлен пористый цилиндр 8 диаметром D(ц) с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов с инерционным улавливанием грубодисперсных капель. В измерительном канале 2 на выходе на горизонтальной пластине 7 из дюралюминия по ее центру закреплен оптический инфракрасный газоанализатор 19 с сенсором паров MIPEX согласно патенту РФ №2187093 (на фиг. 1 не показан), аэрозольным фильтром 20 и аспиратором 21 воздуха с аэрозолями и парами углеводородов с расходом q.

Пористый цилиндр 8 предназначен для инерционного улавливания аэрозолей и одновременного впитывания пленки жидкого фильтрата капельного аэрозоля внутрь пористой структуры с целью устранения возможного срыва жидкости с поверхности цилиндра и ее дробления воздушным потоком с образованием вторичных капель. При обтекании цилиндра траектории движения капель за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на его поверхность. Для сравнительно крупных капель их траектории близки к прямолинейным и эффективность захвата Е≈100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких капель, является число Стокса Stk=τ(p)U/D(ц), где τ(р)≈рd² _/18η - время релаксации капли диаметром d<150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, U - скорость смеси воздуха, аэрозолей и паров углеводородов вдали от цилиндра, ρ - плотность частицы, η - динамическая вязкость воздуха (Райст 77. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).

Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсных средах можно рассчитывать по формуле I=I₀ехр(-КL), где К - объемный коэффициент ослабления. Выраженное через поверхностную S концентрацию капель ослабление излучения I=I₀ехр(-SL/4). Величина S=9,21g(I₀/I)/L (А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, А.В. Каникевич и др. Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150). Величины I и I₀ от полупроводниковых лазеров 9 и 10 регистрируются фотодиодами 11 и 12 в измерительных каналах 1 и 2.

Вес заявляемого устройства не превышает 1,2-1,5 кг и более чем в четыре раза меньше веса устройства по прототипу.

Устройство работает следующим образом. Для анализа аэрозолей и паров углеводородов в атмосфере его подвешивают с помощью блока 17 на мачте или тросе на высоте от 1 до 50 м, а для их анализа на высоте до 200 метров облегченное устройство на блоке подвески 17 закрепляется к стандартному БПЛА типа квадрокоптер (на фигуре не показан). Анализируемый конвективный поток воздуха Q, содержащий аэрозоли и пары углеводородов, поступает в измерительные каналы 1 и 2. В результате одновременно регистрируются значения оптической плотности аэрозолей D по измеренным значениям I и I₀ в канале 2 до пористого цилиндра 8, а в канале 1 после него. Это позволяет определить поверхностную концентрацию мелких и грубодисперсных аэрозолей по измеренным значениям D согласно закону Ламберта-Бугера-Беера, описывающего ослабление излучения в дисперсных средах с учетом геометрических размеров устройства. Одновременно в канале 2 без пористого цилиндра 8 измеряется объемная концентрация паров углеводородов в воздухе с помощью оптического инфракрасного газоанализатора 19, установленного на пластине 7 на выходе двухфазного воздушного потока аэрозолей и паров углеводородов из канала 2. С целью увеличения быстродействия осуществляется непрерывная аспирация воздуха с аэрозолями и парами углеводородов в оптический инфракрасный газоанализатор 19 через аэрозольный фильтр 20 с помощью аспиратора 27 с расходом q=100-200 см³/с с временем быстродействия ≈0,5 с.

Результаты мониторинга содержания аэрозолей и паров углеводородов одновременно записываются на карту памяти электронного блока 75 и передаются по витой паре на удаленный компьютер (на фигуре не показаны).

В случае подвески устройства к БПЛА данные анализа аэрозолей и паров углеводородов записываются на карту памяти и после его приземления считываются в компьютер через USB интерфейс. Подвеску прототипа к стандартному БПЛА типа квадрокоптер для сканирования облаков ТВ С на высоте до 200 метров на практике не удается реализовать, вследствие его относительно большого веса более 6 кг, обусловленного значительной металлоемкостью не оптимальной конструкции устройства.

В результате достигается технический результат заявленной полезной модели путем унификации с оптимизацией конструкции и расширения функциональных возможностей за счет уменьшения ее веса более чем в 4 раза по сравнению с прототипом, вследствие создания существенно отличающейся конструкции в виде прямоугольного параллелепипеда с уменьшенной металлоемкостью по сравнению с прототипом. Это позволяет, в частности, анализировать выбросы топливных жидкостей на высоте от 1 до 200 метров, что невозможно с устройством по прототипу.

Пример

Вес заявляемого устройства не превышал 1.4 кг и более чем в четыре раза был меньше веса устройства по прототипу. Все его металлические конструкции были изготовлены из дюралюминия на основе сплава Д16Т с плотностью 2,8 г/см³ согласно ГОСТ 4784-97. Оптическая длина рассеивающих лазерное излучение слоев капель в первом и втором горизонтальных, параллельных, прямоугольных, измерительных каналах L=24 см, а их ширина составляла 2,5 см. Высота вертикальных прямоугольных пластин Н=12 см, а их ширина h=9 см.

Напряжение питания, мощность излучения и длина волны лазеров 9 и 10 составляли 24 В, 5 мВт и 0,68 мкм; диаметр и площадь поперечного сечения лазерного луча в каналах 1 и 2 составляли d₁≈1,4 см и S₁≈1,5 см²; диаметр приемного объектива фотодиода 11 или 12 совпадал с величиной d₁; диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D≈0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S=1-150 м²/м³; диапазон рабочей температуры от -20 до +55°С; временное разрешение анализа аэрозолей ≈0.001 с; временное разрешение при регистрации температуры двухфазных выбросов термопарами хромель-алюмель составляло около 150 мс; диаметр пористого цилиндра 18 из волокнистого полиэстера D(ц)≈3,5 см, а его емкость по отношению к жидкому фильтрату капель углеводородов ≈50 г.

Анализ объемной концентрации паров углеводородов осуществлялся оптическим инфракрасным газоанализатором 19 с сенсором MIPEX (на фигуре не показан) с рабочей температурой от -40 до +60°С согласно патенту РФ №2187093 и патенту РФ на полезную модель №191610 с временем быстродействия ≈0,5 с. Газоанализатор 19 был установлен по центру пластины 7 в измерительном канале 2 на выходе. Для аспирации смеси воздуха, аэрозолей и паров углеводородов использовался микрокомпрессор 21 весом 70 г с расходом q ≈100 см³/с и напряжением питания 12-15 В. Для устранения попадания аэрозолей в сенсор MIPEX анализируемая проба отбиралась в через аэрозольный фильтр 20 класса НИ, установленный на входе в оптический инфракрасный газоанализатор 19.

Защитные от аэрозолей цилиндрические трубки 13-16 длиной 3 см из дюралюминия с внутренним диаметром 1,4 см и толщиной 0,5 см были закреплены перпендикулярно пластинам 3 и 4 винтовым соединением в их отверстия.

Данные анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей передавались электронным блоком 78 по витой паре в удаленный компьютер (на фиг. 1 не показан) при установке на высоте до 50 метров. Результаты одновременного измерения содержания аэрозолей керосина и объемной концентрации его паров передавались электронным блоком 78 каждые 0,001 с по витой паре в удаленный на 600 м компьютер (на фиг. 1 не показан), где программа обрабатывала полученные данные.

При анализе выбросов топливных жидкостей на высоте от 50 до 150 метров устройство весом 1,4 кг на блоке подвески 77 закреплялось к БПЛА типа квадрокоптер Geoscan с допускаемой рабочей весовой нагрузкой более 2 кг (патент РФ на изобретение №2743493). Результаты измерений содержания аэрозолей и паров керосина записывались на карту памяти электронного блока 78 и далее расшифровывались на удаленном более чем на 1000 метром компьютере через USB интерфейс.

Разработанное устройство использовалось при детектировании выбросов газокапельного потока керосина ТС-1 при температуре воздуха около 10°С. В результате, были измерены значения оптической плотности D и поверхности S мелких (d<20 мкм) и более крупных (d≈20-5000 мкм) капель с массовой концентрацией ≈150-500 г/м³ в струе. Одновременно регистрировалось содержание паров с концентрацией менее 1,5-3 раза меньшей концентрации насыщенных паров ТС-1.

Таким образом, в результате создания в заявленном устройстве для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу корпуса из двух параллельных вертикальных прямоугольных пластин с четырьмя отверстиями из дюралюминия и двух горизонтальных, измерительных прямоугольных каналов из трех горизонтальных параллельных пластин из дюралюминия, соединенных сваркой с параллельными вертикальными пластинами корпуса из дюралюминия, установки на их поверхности в отверстия перпендикулярно соосных полупроводниковых лазеров и фотодиодов горизонтальных, параллельных первого и второго измерительных прямоугольных каналов и пористого цилиндра с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель, достигается существенное уменьшения веса заявляемой полезной модели с конструкцией в виде прямоугольного параллелепипеда за счет значительного уменьшения ее металлоемкости. Это позволяет, в частности сканировать выбросы топливных жидкостей в атмосферу по их объему на высоте до 200 метров с одновременным анализом аэрозолей и паров углеводородов путем подвески устройства блоком подвески к стандартному БПЛА типа квадрокоптер, что, практически, невозможно осуществить с относительно тяжелым устройством по прототипу.

Claims (1)

1. Устройство для анализа содержания аэрозолей и паров углеводородов при выбросе топливных жидкостей в атмосферу, включающее блок его подвески, электронный блок, корпус из дюралюминия с отверстиями для течения потока аэрозолей и паров углеводородов через горизонтальные параллельные первый и второй измерительные прямоугольные каналы с соосными полупроводниковыми лазерами и фотодиодами, причем в первом измерительном прямоугольном канале установлен на входе пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель, а на выходе второго измерительного прямоугольного канала размещен оптический инфракрасный газоанализатор с аэрозольным фильтром и аспиратором воздуха, отличающееся тем, что корпус выполнен из двух параллельных вертикальных прямоугольных дюралюминиевых пластин, в отверстия которых сваркой закреплены полупроводниковые лазеры и фотодиоды горизонтальных параллельных первого и второго измерительных прямоугольных каналов и пористый цилиндр с поперечным обтеканием потоком аэрозолей и паров углеводородов для сепарации крупных капель в горизонтальном первом измерительном прямоугольном канале, при этом первый и второй измерительные прямоугольные каналы представляют собой три дюралюминиевые горизонтальные параллельные пластины, соединенные сваркой с параллельными вертикальными пластинами корпуса.

Images