СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/78 

Изобретение относится к способам исследования концентраций вредных веществ в воздухе путем измерения изменения цвета или оптической плотности, например, индикаторной ленты и может быть использовано в технике безопасности и экологии.

Известен способ контроля концентрации вредных веществ в воздухе путем обдува контролируемым воздухом участка индикаторной ленты и измерения изменения ее цвета или плотности. Такой способ используется в газоанализаторах "Сирена-М", ФКГ и др. При осуществлении этого способа индикаторная бумажная лента с помощью шагового электродвигателя перематывается с одной катушки на другую, проходя через реакционную камеру. Через эту камеру с помощью побудителя расхода воздуха прокачивается анализируемый воздух со скоростью 0,2-2 л/мин. Благодаря цветной химической реакции вредного вещества с индикатором, которым пропитана бумажная лента, изменяется цвет и оптическая плотность индикаторной ленты. Участок индикаторной ленты, находящийся в реакционной камере, освещают лампой накаливания и измеряют фототок фотодиода, на который попадает свет, отраженный от упомянутого участка индикаторной ленты. По мере прохождения цветной химической реакции фототок изменяется тем быстрее, чем больше вредного вещества в воздухе. По скорости изменения фототока определяют концентрацию вредного вещества, прокалибровав предварительно газоанализатор поверочной газовой смесью с известной концентрацией вредного вещества.

Упомянутый способ использован в газоанализаторе фирмы MDA, описанном в рекламе TLD-1, Toxic Gas Dotector, предназначенном для обеспечения безопасности труда в полупроводниковом производстве. Газоанализатор позволяет измерять концентрацию более 30 вредных веществ.

Однако этот способ имеет недостаточно высокую точность и воспроизводимость контроля из-за нестабильности обдува индикаторной ленты. Нестабильность обдува связана с постепенным засорением воздуховодов газоанализатора пылью, с износом и засорением клапанов побудителя расхода воздуха, с изменением расхода воздуха при изменении атмосферного давления, а также с неточностью изготовления реакционной камеры и подсосом воздуха в реакционной камере вследствие вариации ширины и толщины индикаторной ленты и т.д. Вследствие совокупного действия этих факторов из-за нестабильности обдува ленты точность контроля концентрации вредных веществ не превышает 20-25%
Известен также способ контроля концентрации вредных веществ в воздухе путем обдува контролируемым воздухом индикаторной ленты напросос. Анализируемый воздух просасывается сквозь поры бумажной индикаторной ленты.

Недостатком этого способа является то, что он связан с дополнительным расходом энергии и используется в стационарных газоанализаторах. Он не позволяет использовать непористые индикаторные ленты, например ленты на лавсановой основе, которые имеют повышенную прочность и меньшую толщину. На результаты контроля существенно влияют неоднородность толщины ленты и ее плотности. Благодаря большому перепаду давлений часть воздуха просачивается вдоль плоскости ленты. Точность и воспроизводимость метода низки из-за нестабильности обдува индикаторной ленты контролируемым воздухом.

Цель изобретения повышение точности и воспроизводимости результатов контроля вредных веществ в воздухе за счет стабилизации обдува контролируемым воздухом индикаторной ленты.

Для этого в способе контроля концентраций вредных веществ в воздухе путем обдува контролируемым воздухом индикаторной ленты и измерения изменения ее цвета или плотности индикаторную ленту перемещают в контролируемом воздухе со скоростью в пределах от 0,5 до 20 м/с, например, путем ее вращения.

При обдуве индикаторной ленты контролируемым воздухом скорость химической реакции увеличивается вследствие уменьшения толщины обедненного вредными веществами пограничного слоя, примыкающего к индикаторной ленте. В известном способе для этой цели закачивают воздух с помощью насоса и продувают его относительно неподвижной индикаторной ленты. Аналогичный эффект уменьшения толщины пограничного слоя и увеличения скорости химической реакции произойдет, если индикаторную ленту перемещать в неподвижном контролируемом воздухе с той же относительной скоростью, например, путем ее вращения. Частицы воздуха в приповерхностном слое вращающейся индикаторной ленты приобретают радиальную составляющую скорости под действием центробежной силы и вследствие этого удаляют от поверхности индикаторной ленты. В результате давление в приповерхностном слое индикаторной ленты снижается и на смену воздуху, обедненному вредными веществами вследствие фотоколориметрической реакции с индикаторным веществом индикаторной ленты, под действием перепада давлений поступают свежие порции воздуха, обогащенные вредным веществом.

Проведенные эксперименты с бумажной индикаторной лентой, чувствительной к парам аммиака, и с лавсановой индикаторной лентой, чувствительной к парам соляной кислоты, показали, что оптимальный эффект достигается в диапазоне скоростей перемещения в пределах от 0,5 до 20 м/с.

При скорости перемещения индикаторной ленты относительно контролируемого воздуха меньше 0,5 м/с скорость обдува становится соизмеримой с флуктуациями скорости воздуха за счет естественных факторов, что снижает точность контроля. При скорости перемещения индикаторной ленты относительно контролируемого воздуха больше 20 м/с скорость изменения ее цвета перестает зависеть от скорости перемещения индикаторной ленты, такой режим работы нецелесообразен в связи со снижением коэффициента полезного действия.

Наличие вращения индикаторной ленты не препятствует измерению коэффициента отражения индикаторной ленты, так как оно осуществляется дистанционно, например, с помощью неподвижной оптопары с открытым входом.

Предложенный способ реализуется в устройстве контроля, представленном на чертеже.

Бумажная индикаторная лента 1 толщиной 0,2±0,5 мм помещена в кассету 2 диаметром d 50 мм. Кассета имеет прорезь 3, через которую часть 4 индикаторной ленты контактирует с контролируемым воздухом. Кассета с помещенной в нее индикаторной лентой соединена с осью электродвигателя 5. Неподвижная оптопара 6 с открытым входом оптически связана с частью 4 индикаторной ленты. Оптопара электрически соединена с измерителем 7 скорости измерения фототока. Часть 4 индикаторной ленты закреплена на наружной образующей кассеты 2 с помощью прижима 8.

Скорость перемещения ленты относительно контролируемого воздуха составляет πdf 7,85 м/с, где d диаметр кассеты (50 мм), f частота сети (50±0,2 Гц).

Погрешность измерений, связанная с неоднородностью толщины ленты
δ_толщ100%0,2%
Погрешность, связанная с нестабильностью частоты вращения индикаторной ленты
δ_вращ100%0,4%
Эти оценки показывают, что вращение ленты обеспечивает высокую стабильность ее обдува контролируемым воздухом.

П р и м е р (реализации способа). Для измерения использовалась индикаторная лента, чувствительная к парам соляной кислоты. Свежий участок 4 индикаторной ленты вытащили из кассеты 2 через прорезь 3, закрепили его прижимом 8 и измерили величину фототока фотодиода оптопары 6, который оказался равным I₁ 1,63˙10^-8 А. Включили электродвигатель 5, через 15 мин остановили электродвигатель и вновь измерили величину фототока фотодиода оптопары, который оказался равным I₂ 1,13˙10^-8 А. Определяли относительную величину изменения фототока за 15 мин.

δ 100% 100%30,7%
По результатам предварительной калибровки устройства поверочными газовыми смесями известно, что в диапазоне относительных изменений фототока от 7 до 41% чувствительность устройства постоянна и составляет К 0,238 мг/м³ ˙% Концентрация паров соляной кислоты в воздухе С δ˙К 30,7%˙ 0,238 мг/м³˙% 7,3 мг/м³. Предельно допустимая концентрация паров соляной кислоты в воздухе рабочей зоны согласно ГОСТ 5 мг/м³, следовательно, концентрация превышает предельно допустимую.

Время подготовки к измерениям и время разгона электродвигателя не превышает 6 с. По существующим нормам время отбора пробы воздуха для измерения не менее 15 мин. Погрешность за счет неточности времени измерения
δ_время100% 0,7%
П р и м е р (реализации способа для контроля). По результатам предварительной калибровки устройства поверочной газовой смесью, соответствующей предельно допустимой концентрации в воздухе рабочей зоны (для паров соляной кислоты это 5 мг/м³), установили, что относительное изменение фототока за 15 мин δ= 21%
В результате определения в контролируемом воздухе относительное изменение фототока за 15 мин оказалось равным 30,7% Это означает, что концентрация контролируемого вредного вещества превышает предельно допустимую и работа в этих условиях запрещена. Предложенный способ позволяет обеспечить экспресс-контроль концентрации вредных веществ в воздухе.

Технико-экономические преимущества по сравнению с прототипом.

Основной вклад в погрешность измерений вносит неравномерность пропитки индикаторной ленты индикаторным раствором, которая составляет δ_инд. 6,1% Относительная погрешность измерения способа δ== √0= √3 6,1% Наилучшая точность известного способа 20% Предложенный способ в ≃ 3,3 раза точ- нее известного. Запыленность воздуха в предложенном способе не влияет на результаты измерений, так как пыль не удерживается на вращающейся поверхности индикаторной ленты. В способе-прототипе находящаяся в воздухе пыль накапливается на индикаторной ленте, так как при продуве измеряемого воздуха через индикаторную ленту последняя выступает в роли пылевого фильтра. Накопленная во время измерения пыль изменяет оптические свойства индикаторной ленты и влияет на результаты измерений тем больше, чем больше в воздухе пыли.

Изобретение относится к калориметрическим способам контроля концентраций вредных веществ в воздухе и может быть использовано в экологии, а также в области обеспечения техники безопасности на промышленных предприятиях. Сущность изобретения: способ включает перемещение индикаторной ленты в контролируемом воздухе со скоростью от 0,5 до 20 м/с, например, путем вращения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ путем обдува индикаторной ленты контролируемым воздухом и измерения изменения ее цвета или оптической плотности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и воспроизводимости результатов контроля за счет стабилизации обдува, обдув производят путем перемещения индикаторной ленты в контролируемом воздухе со скоростью 0,5 20 м/с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение индикаторной ленты в контролируемом воздухе осуществляют путем вращения цилиндрической кассеты с расположенной на ее поверхности индикаторной лентой.