RU2290624C1

RU2290624C1 - Individual impactor

Info

Publication number: RU2290624C1
Application number: RU2005119674/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Константинович Будыка (RU); Александр Константинович Будыка; Виктор Петрович Крючков (RU); Виктор Петрович Крючков; Андрей Алексеевич Молоканов (RU); Андрей Алексеевич Молоканов; Дмитрий Александрович Припачкин (RU); Дмитрий Александрович Припачкин; нов Александр Георгиевич Цовь (RU); Александр Георгиевич Цовьянов
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-12-27

Abstract

FIELD: investigating or analyzing materials.

SUBSTANCE: individual impactor comprises housing with nozzle, collector plates, and inclined filter (or stack of filters). The inner chambers defined by the housing and collector plates of different thickness are provided with rounded surfaces that allow turbulence of the air flow to be suppressed. The sizes of the collector plates do not exceed the sizes of the holder of the standard radiometric instruments.

EFFECT: simplified structure.

2 cl, 5 dwg, 2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к индивидуальным устройствам для дисперсного анализа аэрозолей, поступающих в организм человека с вдыхаемым воздухом, и может быть использовано в промышленности и в экологии, для санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, а также для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.The invention relates to individual devices for disperse analysis of aerosols entering the human body with inhaled air, and can be used in industry and ecology, for sanitary-hygienic assessment of the air environment, as well as for evaluating the efficiency of dust collecting equipment and personal respiratory protection .

Известен компактный каскадный импактор (UK 955934), имеющий прямоугольную форму сопел, расположенных параллельно и формируемых специальными элементами конструкции импактора. К достоинствам этой конструкции относится форма камер, препятствующая возникновению большого количества турбулентных завихрений, вносящих существенный вклад в погрешность определения характеристик аэрозоля. К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести его сложность и вертикальное расположение коллекторных панелей, поскольку такое расположение может приводить к осыпанию частиц, осевших на них, вследствие перемещения импактора, находящегося на подвижном человеке. Это непременно приведет к увеличению погрешности определения характеристик аэрозоля, особенно для больших скоростей прокачки воздушного потока через импактор.A compact cascade impactor (UK 955934) is known having a rectangular shape of nozzles arranged in parallel and formed by special design elements of the impactor. The advantages of this design include the shape of the chambers, which prevents the occurrence of a large number of turbulent vortices, which make a significant contribution to the error in determining the characteristics of the aerosol. The disadvantages of the device in question include its complexity and the vertical arrangement of the collector panels, since such an arrangement can lead to the shedding of particles deposited on them due to the movement of the impactor located on a moving person. This will certainly lead to an increase in the error in determining the characteristics of the aerosol, especially for high velocities of pumping the air flow through the impactor.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является персональный спектрометр вдыхаемой пыли (US № 4740220). К достоинствам устройства можно отнести высокое разрешение по всему спектру размеров частиц вдыхаемого аэрозоля, которое достигается за счет 9-ти разделительных каскадов, а также горизонтальное расположение коллекторов. К недостаткам этого устройства относятся: небольшая объемная скорость прокачки воздуха (2 л/мин), значительно отличающаяся от скорости дыхания человека (20 л/мин), сложная форма коллекторных пластин, не позволяющая непосредственно их использовать для радиометрического анализа на стандартных приборах, а также то, что внутренние камеры импактора имеют цилиндрическую форму, а это способствует образованию турбулентных завихрений, приводящих к увеличению погрешности определения характеристик аэрозоля. Кроме того, к технологическим недостаткам устройства можно отнести высокую сложность конструкции.The closest in technical essence and the achieved result is a personal respiratory dust spectrometer (US No. 4740220). The advantages of the device include high resolution over the entire spectrum of particle sizes of the inhaled aerosol, which is achieved through 9 separation cascades, as well as the horizontal arrangement of the collectors. The disadvantages of this device include: a small volumetric rate of air pumping (2 l / min), significantly different from the person’s breathing rate (20 l / min), the complex shape of the collector plates, which does not allow them to be used directly for radiometric analysis on standard instruments, and the fact that the inner chambers of the impactor have a cylindrical shape, and this contributes to the formation of turbulent vortices, leading to an increase in the error in determining the characteristics of the aerosol. In addition, the technological disadvantages of the device include the high complexity of the design.

Целью изобретения является создание индивидуального импактора, который может использоваться в комплекте с автономным воздухопрокачивающим устройством, для отбора проб аэрозоля непосредственно в зоне дыхания человека. При этом конструкция должна быть простой в изготовлении, удобной в использовании, обладать внутренними камерами с улучшенными аэродинамическими свойствами и позволять проводить анализ активности проб аэрозоля с использованием стандартных радиометрических приборов (стандарт ИСО 7708:1995). Кроме того, для максимального приближения к условиям поглощения радиоактивных аэрозолей человеком объемная скорость прокачки воздуха в предлагаемом устройстве выбрана в соответствии с "Нормами радиационной безопасности" (НРБ-99) СП 2.6.1.758-99, п.8.2.The aim of the invention is the creation of an individual impactor, which can be used in conjunction with a stand-alone air pumping device for sampling aerosol directly in the area of human breathing. At the same time, the design should be simple to manufacture, convenient to use, have internal chambers with improved aerodynamic properties, and allow analysis of the activity of aerosol samples using standard radiometric instruments (standard ISO 7708: 1995). In addition, to maximize approximation to the conditions of absorption of radioactive aerosols by humans, the volumetric rate of air pumping in the proposed device is selected in accordance with the "Radiation Safety Standards" (NRB-99) SP 2.6.1.758-99, p. 8.2.

Для достижения поставленной цели предлагается индивидуальный импактор, обладающий достоинствами описанных выше устройств, но не имеющий их недостатков. Предлагаемый индивидуальный импактор состоит из корпуса 1, коллекторных пластин 2, 3, 4, пакета фильтров 5 и фиксирующей съемной панели 6, закрепленной болтами 7.To achieve this goal, an individual impactor is proposed that has the advantages of the devices described above, but does not have their disadvantages. The proposed individual impactor consists of a housing 1, collector plates 2, 3, 4, a filter pack 5 and a fixing removable panel 6, bolted 7.

Специальная форма внутренних камер уменьшает количество турбулентных завихрений, вносящих существенный вклад в погрешность определения характеристик радиоактивного аэрозоля. Специальная форма внутренних камер формируется корпусом 1 и коллекторными пластинами 2, 3, 4. В первой камере, образованной верхней частью корпуса 1 и коллекторной пластиной 2, сделаны внутренние закругленные поверхности, вдоль которых протекает воздушный поток и устремляется вниз к сопельным прямоугольным отверстиям, образованным коллекторной пластиной 2 и боковой поверхностью корпуса 1. Вторая камера образована корпусом 1, коллекторными пластинами 3 (сверху) и 4 (снизу). Она также имеет внутренние закругленные поверхности после разгонного сопла коллекторной пластины 3, наличие которых минимизирует размеры зон застоя воздушного потока. Коллекторные пластины имеют плоскую прямоугольную форму, причем коллекторная пластина 3 имеет посередине прямоугольное щелевое отверстие (разгонное сопло). Коллекторные пластины обладают специальной формой. Специальная форма коллекторных пластин заключается в двух особенностях их конструкции. С одной стороны, габариты пластин не превышают габаритов держателя стандартных радиометрических приборов, а это позволяет использовать их для проведения радиометрического анализа на этих приборах, с другой стороны, различная толщина коллекторных пластин позволяет создавать приемлемые условия для формирования ламинарного воздушного потока при переходе его из одной внутренней камеры в другую. Наилучших результатов удается достигнуть, когда для коллекторных пластин выполняется условие Н≤а, где Н - ширина щели между коллекторной пластиной и корпусом, а - толщина коллекторной пластины. После коллекторных пластин устанавливается фильтр (или пакет фильтров), наклонное расположение которого способствует равномерному распределению осаждаемых частиц по всей поверхности фильтра. Перетекание воздушного потока из прямоугольных сопельных отверстий, образованных корпусом 1 и коллекторной пластиной 4, в круглое выходное отверстие в нижней части корпуса 1 через фильтр (или пакет фильтров) приводит к переходу формы поперечного сечения воздушного потока от прямоугольной к круглой. При этом наклонное расположение фильтра, в отличие от горизонтального, способствует равномерности перехода. В частном случае выполнение фильтра в виде пакета фильтров позволяет за счет уменьшения количества коллекторных пластин (по сравнению с прототипом) не только минимизировать габаритные размеры импактора, но и добиться снижения аэродинамического сопротивления устройства, что дает возможность использовать менее мощные, а следовательно, более легкие автономные воздухопрокачивающие устройства, беспрепятственно закрепляемые на одежде человека. При этом индивидуальный импактор может использоваться для эффективной санитарно-гигиенической и экологической оценки воздушной среды, а также для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания человека.The special shape of the inner chambers reduces the number of turbulent eddies that make a significant contribution to the error in determining the characteristics of a radioactive aerosol. The special shape of the inner chambers is formed by the housing 1 and the collector plates 2, 3, 4. In the first chamber, formed by the upper part of the housing 1 and the collector plate 2, internal rounded surfaces are made along which air flows and rushes down to the nozzle rectangular holes formed by the collector plate 2 and the side surface of the housing 1. The second chamber is formed by the housing 1, the collector plates 3 (top) and 4 (bottom). It also has internal rounded surfaces after the accelerating nozzle of the collector plate 3, the presence of which minimizes the size of the zones of stagnation of the air flow. The collector plates have a flat rectangular shape, and the collector plate 3 has a rectangular slotted hole (accelerating nozzle) in the middle. Manifold plates have a special shape. The special shape of the collector plates is in two design features. On the one hand, the dimensions of the plates do not exceed the dimensions of the holder of standard radiometric devices, and this allows you to use them for radiometric analysis on these devices, on the other hand, the different thickness of the collector plates allows you to create acceptable conditions for the formation of laminar air flow when it passes from one internal cameras to another. The best results can be achieved when the condition Н≤а is fulfilled for the collector plates, where Н is the width of the gap between the collector plate and the housing, and is the thickness of the collector plate. After the collector plates, a filter (or filter pack) is installed, the inclined arrangement of which contributes to an even distribution of the deposited particles over the entire surface of the filter. The flow of air from rectangular nozzle openings formed by the housing 1 and the collector plate 4, into the circular outlet in the lower part of the housing 1 through the filter (or filter bag) leads to the transition of the cross-sectional shape of the air flow from rectangular to round. At the same time, the inclined arrangement of the filter, in contrast to the horizontal one, contributes to the uniformity of the transition. In the particular case, the implementation of the filter in the form of a filter package allows by reducing the number of collector plates (compared with the prototype) not only to minimize the overall dimensions of the impactor, but also to reduce the aerodynamic drag of the device, which makes it possible to use less powerful, and therefore lighter, stand-alone air-pumping devices, freely attached to human clothing. At the same time, an individual impactor can be used for effective sanitary-hygienic and environmental assessment of the air environment, as well as for evaluating the efficiency of dust-collecting equipment and personal respiratory protective equipment.

На фиг.1 изображен индивидуальный импактор, вид спереди; на фиг.2 - индивидуальный импактор, вид сбоку; фиг.3 - схема компоновки индивидуального импактора; на фиг.4 - функция распределения активности по аэродинамическим диаметрам; на фиг.5 - гистограмма распределения активности радионуклида по аэродинамическим диаметрам аэрозольных частиц.Figure 1 shows an individual impactor, front view; figure 2 - individual impactor, side view; figure 3 - layout of the individual impactor; figure 4 is a function of the distribution of activity over aerodynamic diameters; figure 5 is a histogram of the distribution of radionuclide activity by aerodynamic diameters of aerosol particles.

При подготовке к работе индивидуальный импактор собирают согласно схеме на фиг.3, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин 2, 3, 4 вязкое вещество (масло ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80). В корпус 1 устанавливают коллекторные пластины и пакет фильтров. Коллекторные пластины 2 и 4 фиксируются внутри корпуса 1 при помощи параллельных пазов на внутренней стороне задней стенки корпуса 1 и на внутренней стороне фиксирующей съемной панели 6, а коллекторная пластина 3 фиксируется внутри корпуса 1 при помощи параллельных пазов на внутренних сторонах боковых стенок корпуса 1. Затем к корпусу 1 присоединяют съемную панель 6 при помощи крепежных винтов 7. Импактор закрепляют на спецодежде человека, присоединяют к импактору воздухопрокачивающее устройство со стабилизированным расходом и производят пробоотбор.In preparation for operation, the individual impactor is assembled according to the scheme in Fig. 3, after applying a viscous substance (TsIATIM-221 oil, GOST 9433-80) on the surface of the collector plates 2, 3, 4. In the housing 1 install the collector plate and the filter package. The collector plates 2 and 4 are fixed inside the housing 1 using parallel grooves on the inner side of the rear wall of the housing 1 and on the inside of the fixing removable panel 6, and the collector plate 3 is fixed inside the housing 1 using parallel grooves on the inner sides of the side walls of the housing 1. Then a removable panel 6 is attached to the housing 1 by means of fixing screws 7. The impactor is fixed on the person’s work clothing, a stabilized flow pumping device is attached to the impactor, and Robot selection.

Устройство работает следующим образом: воздух, содержащий аэрозольные частицы, прокачивается через импактор при помощи побудителя расхода воздуха. Воздушный поток поступает через входное сопло в верхней части корпуса 1 внутрь импактора, где он разделяется на две части и резко изменяет свое направление, за счет этого в силу инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются в вязком веществе, покрывающем коллекторную пластину 2, далее потоки поступают в следующую камеру, где они вновь изменяют направление и соединяются в один, при этом некоторая доля частиц оседает на поверхности коллекторной пластины 3. Затем поток поступает во вторую камеру и еще раз резко изменяет направление, разделяясь на две части, при этом частицы аэрозоля оседают на поверхности коллекторной пластины 4. Далее воздушный поток, разделяясь, огибает коллекторную пластину 4 с двух сторон. После коллекторной пластины 4 происходит объединение воздушных потоков в один, который направляется к пакету фильтров 5, оставшиеся в воздушном потоке аэрозольные частицы оседают на пакете фильтров 5, после чего воздушный поток выходит через отверстие в нижней части корпуса 1.The device operates as follows: air containing aerosol particles is pumped through the impactor using an air flow inducer. The air flow passes through the inlet nozzle in the upper part of the housing 1 into the impactor, where it is divided into two parts and sharply changes its direction, due to this, due to inertia, more massive particles do not have time to change the direction of their movement and are deposited in a viscous substance covering the collector plate 2, then the flows enter the next chamber, where they again change direction and merge into one, while a certain fraction of particles settles on the surface of the collector plate 3. Then, the flow enters the second chamber and again abruptly changes direction, being divided into two parts, wherein the aerosol particles are deposited on the surface of the collector plate 4. Further, the air flow, the section encloses collector plate 4 from two sides. After the collector plate 4, the air flows are combined into one, which is sent to the filter package 5, the aerosol particles remaining in the air stream are deposited on the filter package 5, after which the air stream leaves through the hole in the lower part of the housing 1.

По окончании пробоотбора разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины, не нарушая смазанных поверхностей; измерение активности частиц, осевших на пластинах и фильтрах, производят на стандартных радиометрических приборах. При этом фиксируют результаты измерения активности и определяют параметры функции распределения активности по аэродинамическим диаметрам частиц для определения АМАД (активностный медианный аэродинамический диаметр) и β_g (стандартное геометрическое отклонение).At the end of the sampling, the impactor is disassembled and the collector plates are removed without disturbing the lubricated surfaces; measurement of the activity of particles deposited on plates and filters is performed on standard radiometric instruments. At the same time, the results of measuring activity are recorded and the parameters of the activity distribution function are determined by the aerodynamic diameters of the particles to determine the AMAD (activity median aerodynamic diameter) and β _g (standard geometric deviation).

Пример 1Example 1

Для измерения дисперсного состава аэрозоля, основными характеристиками которого являются АМАД и β_g, действуют следующим образом: собирают импактор в соответствии со схемой на фиг.3, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин 2, 3, 4 вязкое вещество (масло ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80); устанавливают пластины и пакет фильтров в корпус 1 и присоединяют к нему съемную панель 6 при помощи крепежных винтов 7; присоединяют к импактору автономный побудитель стабилизированного расхода; пробоотбор производят в течение рабочего дня; затем, по окончании отбора, разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины, не нарушая смазанных поверхностей; измерение активности частиц, осевших на пластинах и фильтрах, производят в соответствии с методикой проведения измерений для используемого радиометра УРФ-1. Результаты измерения активности и значения функции распределения активности по аэродинамическим диаметрам частиц заносят в таблицу 1 для каждой коллекторной пластины и фильтра. По данным таблицы 1 строят график в вероятностно-логарифмическом масштабе (фиг.4).To measure the dispersed composition of the aerosol, the main characteristics of which are AMAD and β _g , they act as follows: collect the impactor in accordance with the scheme in figure 3, previously applying a viscous substance to the surface of the collector plates 2, 3, 4 (TsIATIM-221 oil, GOST 9433-80); install the plates and the filter pack in the housing 1 and attach to it a removable panel 6 using fixing screws 7; attach to the impactor an autonomous stimulator of stabilized flow; sampling is carried out during the working day; then, at the end of the selection, the impactor is disassembled and the collector plates are removed without disturbing the lubricated surfaces; measuring the activity of particles deposited on plates and filters is carried out in accordance with the measurement procedure for the used URF-1 radiometer. The results of measuring the activity and the values of the function of the distribution of activity over the aerodynamic diameters of the particles are entered in table 1 for each collector plate and filter. According to table 1, a graph is plotted in a probabilistic logarithmic scale (figure 4).

Таблица 1Table 1 № каскада импактораImpactor Cascade No. 1one 22 33 Пакет фильтровFilter pack 4four 55 66 А, БкA, Bq 42,142.1 24,924.9 19,919.9 8,68.6 9,59.5 3,03.0 D, мкмD, μm 88 4four 22 1,21,2 0,80.8 -- F(D), %F (D),% 100one hundred 6161 3838 19,519.5 11,611.6 2,82,8

Через полученные точки можно провести прямую линию, рассматриваемое распределение является логарифмически нормальным. В данном случае значение АМАД соответствует диаметру D₅₀, при котором f(D₅₀)=50%, a β_g - это отношение диаметров D₈₄/D₅₀. Таким образом, по графику (фиг.4) АМАД=2,6 мкм, β_g=2,4.A straight line can be drawn through the obtained points; the distribution under consideration is logarithmically normal. In this case, the AMAD value corresponds to the diameter D ₅₀ , at which f (D ₅₀ ) = 50%, and β _g is the ratio of the diameters D ₈₄ / D ₅₀ . Thus, according to the schedule (figure 4) AMAD = 2.6 μm, β _g = 2.4.

Пример 2Example 2

Для измерения дисперсного состава аэрозоля, не подчиняющегося логарифмически нормальному распределению частиц по размерам, действуют следующим образом: собирают импактор в соответствии со схемой на фиг.3, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин 2, 3, 4 вязкое вещество (ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80). Устанавливают коллекторные пластины и пакет фильтров в корпус 1 и присоединяют к нему съемную панель 6 при помощи крепежных винтов 7. Присоединяют к импактору автономный побудитель стабилизированного расхода; пробоотбор производят в течение рабочего дня; затем по окончании отбора разбирают импактор и вынимают коллекторные пластины, не нарушая смазанных поверхностей. Измерение активности частиц, осевших на коллекторных пластинах и фильтрах, производят в соответствии с методикой проведения измерений для используемого радиометра УРФ-1. Результаты измерения активности и значения функции распределения активности по аэродинамическим диаметрам частиц заносят в таблицу 2 для каждой коллекторной пластины и фильтра.To measure the dispersed composition of an aerosol that does not obey the logarithmically normal distribution of particle sizes, proceed as follows: collect the impactor in accordance with the scheme in FIG. -80). Install the collector plates and the filter pack into the housing 1 and attach the removable panel 6 to it using the fixing screws 7. Attach an autonomous stabilized flow inducer to the impactor; sampling is carried out during the working day; then, at the end of the selection, the impactor is disassembled and the collector plates are removed without disturbing the lubricated surfaces. The measurement of the activity of particles deposited on the collector plates and filters is carried out in accordance with the measurement procedure for the URF-1 radiometer used. The results of measuring the activity and the values of the function of the distribution of activity over the aerodynamic diameters of the particles are entered in table 2 for each collector plate and filter.

Таблица 2table 2 № каскада импактораImpactor Cascade No. 1one 22 33 Пакет фильтровFilter pack 4four 55 66 А, БкA, Bq 42,142.1 24,924.9 19,919.9 8,68.6 9,59.5 3,03.0 D, мкмD, μm 88 4four 22 1,21,2 0,80.8 -- ΔD, мкмΔD, μm 4242 4four 22 0,80.8 0,40.4 0,80.8

, мкм^-1

μm ^-1 0.009281 0.057639 0,09213 0,099537 0.219907 0,034722

По данным таблицы 2 в соответствии с общепринятой методикой (Девис Дж. Статистика и анализ данных. М., Мир, 1977) строят гистограмму плотности распределения активности радионуклида по аэродинамическим диаметрам аэрозольных частиц (фиг.5).According to table 2 in accordance with the generally accepted methodology (Davis J. Statistics and data analysis. M., Mir, 1977), a histogram of the density distribution of the activity of the radionuclide over the aerodynamic diameters of aerosol particles is constructed (Fig. 5).

Claims

1. An individual impactor, including a housing with a nozzle, collector plates and a filter, characterized in that the inner chambers formed by the housing and collector plates are made with rounded surfaces to reduce airflow turbulence, they have rectangular nozzle slots, the collector plates have different thicknesses moreover, the dimensions of the collector plates do not exceed the dimensions of the holder of standard radiometric devices, the filter is inclined, which contributes to uniform aspredeleniyu deposited particles.

2. The individual impactor according to claim 1, characterized in that for the collector plates the condition H≤a is fulfilled, where H is the width of the gap between the collector plate and the housing, and is the thickness of the collector plate.

3. The individual impactor according to claim 1, characterized in that the filter is made in the form of a packet of filters.