УСТРОЙСТВО ГАЗОВОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N31/22 G01N21/78 

Изобретение относится к устройствам для контроля наличия вредных веществ в воздухе, промышленных выбросах, а также на различных поверхностях и грунте и может быть использовано в экологии профессиональной гигиене, гражданской обороне.

В настоящее время разработано множество приборов для контроля химических загрязнений окружающей среды, работа которых основана на физико-химических принципах.

Оперативный контроль загрязнений может быть осуществлен с помощью приборов неспецифического контроля (газосигнализаторов), которые укомплектованы неселективными преобразователями, чувствительными к присутствию примесей в контролируемом воздухе. Такие приборы предназначены для обнаружения вредных веществ, а при известном характере загрязнений для определения концентрации вредных компонентов. Например, известен портативный анализатор фирмы Livingston Hire, Великобритания [1]
Прибор представляет собой фотоионизационный детектор и содержит ионизационную камеру, в которую направляют анализируемый газ, ультрафиолетовую лампу, средство для индикации тока фотоионизации. Прибор предназначен для определения наличия в воздухе остаточных испарений различных растворителей, а также для обнаружения паров бензола и винихлорида. О наличии и концентрации указанных веществ судят по величине тока ионизации.

Однако, указанный способ является прибором неспецифического контроля (фотоионизационный детектор неселективен) и поэтому не может применяться в случаях, когда характер загрязнений не известен и требуется определить вид вредного вещества.

Для качественного и количественного анализа содержащихся в воздухе примесей используют приборы специфического контроля (газоопределители), укомплектованные селективными преобразователями к определенным химическим веществам.

Например известен прибор [2] который обеспечивает возможность количественного измерения с высокой степенью чувствительности газохроматографически раздельных веществ на основе фотоионизации.

Однако, наличие газохроматографического преобразователя усложняет процедуру контроля, требует стационарной установки прибора а также увеличивает его стоимость.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является прибор для контроля содержащихся в воздухе вредных веществ, выбранный авторами за прототип [3]
Устройство содержит селективный колориметрический преобразователь - индикаторную трубку, через которую с помощью сильфонного насоса прокачивают пробу анализируемого воздуха, систему транспортировки воздуха, систему дозирования пробы, блок управления. Принцип действия прибора основан на изменение окраски наполнителя индикаторной трубки при наличии в воздухе вредного вещества, к которому чувствителен наполнитель.

Вид загрязнений определяют путем последовательной установки индикаторных труб с различными наполнителями, при этом о концентрации вещества судят по длине окрашенного слоя и интенсивности окраски. Дозирование пробы осуществляют в приборе путем задания с помощью блока управления необходимого количества циклов разряжения и сжатия сильфона.

Однако, данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями. Прибор предназначен только для специфического контроля и не позволят осуществить оперативный неспецифический контроль загрязнений. Наличие сильфонного насоса позволяет реализовать только периодический режим забора проб воздуха и, соответственно, использовать индикаторные трубки, откалиброванные на циклическое покачивание контролируемого воздуха. Кроме того, прибор не позволяет осуществить контроль загрязнений поверхностей предметов и грунта.

Предлагаемое устройство решает задачу расширения функциональных возможностей путем обеспечения специфического и неспецифического контроля анализируемого воздуха, а также продуктов термодесорбции контролируемых поверхностей предметов и грунта.

Поставленная задача решается тем, что устройство содержит блок управления, газовую магистраль для транспортировки анализируемого газа, установленный в газовой магистрали селективный преобразователь с отверстиями для забора и вывода газа, насос для прокачивания газа, соединенный с блоком управления, систему дозирования, систему пневмоэлектрокоммутации, причем система дозирования содержит соединенную с газовой магистралью камеру дозирования, снабженную датчиком давления, соединенным с блоком управления, и запорный клапан, установленный на входе газовой магистрали, при этом устройство дополнительно содержит соединенный с блоком управления и установленный в газовой магистрали неселективный преобразователь с отверстиями для забора и вывода газа, а также термодесорбер, содержащий соединенный с блоком управления нагревательный элемент и канал для забора продуктов термодесорбции, соединенный с отверстиями для забора газа преобразователей, а система пневмоэлектрокоммутации выполнена с возможностью подсоединения к камере дозирования и блоку управления либо селективного преобразователя, либо неселективного преобразователя.

Кроме того, селективный преобразователь помещен в камеру, снабженную датчиком температуры и нагревателем, соединенными с блоком управления.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что система дозирования содержит соединенную с газовой магистралью камеру дозирования, снабженную датчиком давления, соединенным с блоком управления, и запорный клапан, установленный на входе газовой магистрали; устройство дополнительно содержит неселективный преобразователь с отверстиями для забора и вывода газа, установленный в газовой магистрали и соединенный с блоком управления, а также термодесорбер, содержащий соединенный с блоком управления нагревательный элемент и канал для забора продуктов термодесорбции, соединенный с отверстиями для забора газа преобразователей; система пневмоэлектрокоммутации выполнена с возможностью подсоединения к камере дозирования и блоку управления либо селективного преобразователя, либо неселективного преобразователя.

Новым в устройстве также является то, что селективный преобразователь помещен в камеру, снабженную датчиком температуры и нагревателем, соединенными с блоком управления.

Наличие в устройстве селективного преобразователя обеспечивает возможность осуществления качественного анализа исследуемого газа, а наличие неселективного преобразователя возможность оперативного неспецифического контроля газа.

Наличие насоса, газовой магистрали, установка в газовой магистрали преобразователей с отверстиями для забора и вывода газа обеспечивают прокачку анализируемого газа через преобразователи для обеспечения протекания физико-химических процессов, положенных в основу работы преобразователей активного типа.

Наличие системы дозирования обеспечивает дозированную прокачку необходимого для анализа объема газа. Выполнение системы дозирования в виде установленной в газовой магистрали камеры дозирования, соединенным с блоком управления, и запорного клапана, установленного на выходе газовой магистрали, обеспечивает как периодический режим прокачки заданных порций газа, так и непрерывный режим прокачки требуемого объема газа, что позволяет использовать преобразователи, предназначенные для работы в циклическом режиме прокачивания анализируемого газа, а также преобразователи, работающие в непрерывном режиме прокачивания.

Наличие термодесорбера, снабженного нагревательными элементом, соединенным с блоком управления, а также каналом для забора продуктов термодесорбции, и подсоединение указанного канала к отверстиям для забора газа, имеющимся в преобразователях, обеспечивают специфический и неспецифический анализ образующихся в результате нагрева паров вредных компонентов, имеющихся на поверхности предметов или грунте.

Блок управления предназначен для управления работой элементов устройства, для задания видов осуществляемого контроля. а также режимов и параметров прокачивания анализируемого газа.

Выполнение системы пневмоэлектрокоммутации с возможностью подсоединения к блоку управления и камере дозирования либо селективного преобразователя, либо неселективного преобразователя обеспечивает осуществление необходимого вида контроля в любой последовательности.

Помещение селективного преобразователя в камеру, содержащую нагреватель и датчик температуры, соединенные с блоком управления, обеспечивает термостатирование селективного преобразователя, работа которого в значительной степени определяется температурными условиями окружающей среды.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит селективный преобразователь 1, установленный в газовой магистрали 2 для транспортировки анализируемого газа. Преобразователь 1 имеет отверстие 3 для забора газа и отверстие 4 для вывода газа. В качестве преобразователя 1 использована индикаторная трубка. В качестве преобразователя 1 могут быть использованы другие виды преобразователей, например индикаторная бумага, реактивы, порошки. Система пневмоэлектрокоммутации состоит из разъемов 6,7 и 17 и обеспечивает соединение газовой магистрали 2 с газовой магистралью 5 при подсоединение разъема 6 к разъему 7. В газовой магистрали 5 установлена камера 8 дозирования, соединенная с насосом 9. Камера 8 снабжена датчиком 10 давления. На выходе газовой магистрали 5 установлен запорный клапан 11. Выход датчика 10 соединен с блоком 12 управления. Выход блока 12 управления соединен с насосом 9.

Устройство также содержит неселективный преобразователь 13, установленный в газовой магистрали 14 для транспортировки газа. Преобразователь 13 имеет отверстие для забора газа и отверстие для вывода газа. В качестве преобразователя 13 использован фотоионизационный преобразователь. Преобразователь 13 соединен с блоком управления 12, а система пневмоэлектрокоммутации обеспечивает соединение газовой магистрали 14 с газовой магистралью 5 при подсоединении разъема 17 к разъему 7. Кроме того, устройство содержит термодесорбер 18, в котором установлен нагревательный элемент 19, соединенный с блоком 12 управления при подсоединении разъема 6 или разъема 17 к разъему 7, а также имеется канал 20 для забора продуктов термодесорбции, который соединен с отверстиями 3 и 15.

Преобразователь 1 помещен в камеру 21 внутри которой установлен датчик 22 температуры и нагреватель 23, которые соединены с блоком 12 управления при подсоединении разъема 6 к разъему 7.

Устройство работает следующим образом.

Для осуществления оперативного контроля наличия вредных веществ в воздухе контролируемой зоны подсоединяют разъем 17 к разъему 7. Включают питание устройства (на схеме не показано). Питание устройства может быть осуществлено как от сети при стационарной работе в лабораторных и промышленных помещениях, так и от аккумуляторных батарей или бортовой сети автомашины при автономной работе в полевых условиях.

С помощью блока 12 управления оператор задает режим прокачки анализируемого газа и параметры дозирования.

В периодическом режиме оператор задает пороговые значения давления в камере 8 дозирования таким образом, чтобы за один цикл прокачать заданную порцию газа, а также количество циклов, обеспечивающих прокачивание необходимого для анализа объема газа. После этого по команде блока 12 управления включается насос 9, при этом открывается запорный клапан 11 и производится откачка газовой среды (воздуха) из камеры 8. Давление в камере 8 измеряется датчиком 10 давления и сигнал, соответствующий измеряемому давлению, поступает в блок 12 управления. При достижении заданного нижнего порога давления блок 12 управления выключает насос 9, при этом запорный клапан 11 закрывается. Анализируемый газ начинает поступать через отверстие 15 в преобразователь 13, выходит из него через отверстие 16 и транспортируется по газовым магистралям 14 и 5. Газ заполняет камеру 8, давление в камере 8 повышается и при достижении верхнего заданного давления по команде блока 12 управления включается насос 9, клапан 11 открывается и начинается новый цикл прокачивания.

В непрерывном режиме оператор перед началом прокачивания задает с помощью блока 12 управления требуемый объем газа. Осуществляется один цикл прокачивания, как в периодическом режиме. В этом цикле блок 12 управления фиксирует время достижения верхнего и нижнего порогов давления в камере 8 и на основании анализа этих данных задает время непрерывной работы насоса 9 для прокачивания необходимого объема газа. Далее осуществляется прокачивание анализируемого газа в течение заданного времени. Клапан 11 в непрерывном режиме прокачивания остается открытым. Блок 12 управления с помощью сигналов от датчика 10 давления управляет расходом насоса 9.

Работа фотоионизационного преобразователя 13 может осуществляться как в непрерывном, так и в периодическом режиме прокачивания газа. Однако, так как для определения наличия вредных компонентов в газе с помощью фотоионизационного преобразователя не требуется высокая точность дозирования расхода прокачиваемого газа, целесообразно как более экономичный при оперативном контроле задавать циклический режим прокачивания.

Фотоионизационный преобразователь 13 содержит ионизационную камеру, в которой расположены источник УФ излучения и электроды (не показаны). Источник УФ излучения обеспечивает ионизацию находящихся в анализируемой атмосфере примесей, при этом молекулы воздуха не ионизируются, так как их энергия ионизации выше, чем энергия ионизации молекул примесей. При наличии в воздухе примесей между электродами возникает тот фотоионизации, при этом преобразователь 13 выдает блок 12 управления сигнал, который выводится на индикацию (звуковую, световую, визуальную). Так как ток фотоионизации является характеристическим для конкретного вещества, то при наличии информации о характере загрязнения возможно откалибровать устройство по концентрации контролируемого вещества. Устройство может быть также отколибровано по градиенту концентрации, т.е. измерять изменение концентрации примесей относительно фонового уровня. Это обеспечивает возможность мест утечки вредных веществ в контролируемых зонах. При известном типе вещества на индикаторном табло будет представлена его концентрация, а при неизвестном общая величина фона.

Для осуществления оперативного контроля наличия загрязнений на поверхностях предметов и грунте по команде блока 12 управление включается нагревательный элемент 19 термодесорбера 18. Наружную поверхность элемента 19 оператор подносит к исследуемой поверхности или контейнеру, в котором помещена проба исследуемого вещества или грунта. Имеющиеся на анализируемых поверхностях загрязнения испаряются, и образующиеся продукты термодесорбции поступают в канал 20, соединенный с отверстием 15 для забора атмосферного воздуха преобразователя 13. Контроль образующейся газовой смеси осуществляют аналогичным образом, как и контроль окружающей атмосферы, описанный выше.

При осуществлении данного вида контроля в случае, кода устройство откалибровано относительно фонового уровня, возможно, например, выявить пригодный для использования фураж, сено и другие продукты, расположенные в зоне сильного атмосферного загрязнения, превышающего уровень ПДК.

Для определения вида обнаруженных вредных веществ проводят их качественный анализ. Для этого выключают питание устройства, отсоединяют разъем 17 от разъема 7 и подсоединяют к последнему разъем 6. Предварительно в камеру 21 устанавливают преобразователь 1, в качестве которого используют индикаторную трубку. Включают питание устройства. С помощью блока 12 управления оператор задает режим прокачивания и параметры дозирования в соответствии с видом используемой индикаторной трубки. По команде блока 12 управления включается насос 9 и осуществляется прокачка газа аналогичным образом, как при оперативном контроле, описанным выше. Газ поступает в отверстие 3, выходит из отверстия 4 и транспортируется по магистралям 2 и 5. При наличии в прокачиваемой пробе газа вредного компонента, на который реагирует наполнитель индикаторной трубки, окраска наполнителя изменяется. Контроль газа осуществляют визуально, наблюдая изменение окраски индикаторной трубки, при этом о концентрации выявленного вещества судят по длине окрашенного слоя и интенсивности окраски, используя соответствующие цветные эталоны. Устанавливая последовательно в камеру 21 различные индикаторные трубки, осуществляют качественный и количественный анализ исследуемой атмосферы.

Качественный анализ поверхностей предметов или грунта осуществляют с помощью термодесорбера 18. Для этого по команде с блока 12 управления включается нагревательный элемент 19. Образующиеся пары загрязнений через канал 20 поступают через отверстие 3 в преобразователь 1. Анализ продуктов термодесорбции с помощью индикаторной трубки осуществляют аналогичным образом, как описанный выше анализ атмосферного загрязнения.

Камера 21 содержит датчик 22 температуры, который выдает в блок 12 управления сигнал, соответствующий температуре в камере 21. При достижении нижнего порогового значения температуры по команде с блока 12 управления включается нагреватель 23, который подогревает преобразователь 1. Таким образом осуществляется термостатирование преобразователя 1, что обеспечивает расширение температурных пределов работы устройства при использовании индикаторных трубок с более узким диапазоном допустимых рабочих температур. Последовательность осуществляемых видов контроля с помощью предлагаемого устройства (оперативный контроль наличия загрязнений, качественный анализ, контроль атмосферы, контроль поверхностей предметов) может быть выбрана любой в зависимости от условий конкретного исследования.

Таким образом, конструкция устройства значительно расширяет его функциональные возможности, так как позволяет осуществить как оперативный неспецифический контроль, не требующий расходных материалов (с помощью фотоионизационного преобразователя), так и специфический контроль (с помощью колориметрического преобразователя), благодаря чему удается быстро локализовать загрязненную зону и точно определить характер загрязнений окружающей атмосферы и поверхностей предметов и грунта.

Источники информации:
1. Meas. + Contr. 1992 -25, N 2, c. 56, в РЖ ВИНИТИ, 1993г. реф.10.84.53
2. Германия, ДД, А7 N 300208, G 01 N 21/33, 27/62, 30/64, опубл. 27.05.92
3. ФРГ, N 3821831, G 01 N 31/22, 35/00, опубл. 04.01.90К

Использование: для газового контроля. Сущность изобретения: устройство содержит блок управления, газовую магистраль, установленные в газовой магистрали селективный и неселективный преобразователи с отверстиями для забора и вывода газа, насос для прокачки газа, соединенный с блоком управления, систему дозирования и систему пневмоэлектрокоммуникации. Система дозирования содержит соединенную с газовой магистралью камеру дозирования, снабженную соединенным с блоком управления датчиком давления и запорный клапан, установленный на входе газовой магистрали. Система пневмоэлектрокоммуникации выполнена с возможностью подсоединения к камере дозирования и блоку управления либо селективного преобразователя, либо неселективного преобразователя. Устройство содержит термодесорбер, содержащий соединенный с блоком управления нагревательный элемент и канал для забора продуктов термодесорбции, соединенный с отверстиями для забора газа преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство газового контроля, содержащее блок управления, газовую магистраль для транспортировки газа, установленный в газовой магистрали селективный преобразователь с отверстиями для забора и вывода газа, насос для прокачки газа, соединенный с блоком управления, систему дозирования, систему пневмоэлектрокоммутации, отличающееся тем, что система дозирования содержит соединенную с газовой магистралью камеру дозирования, снабженную соединенным с блоком управления датчиком давления, и запорный клапан, установленный на выходе газовой магистрали, при этом устройство дополнительно содержит соединенный с блоком управления и установленный в газовой магистрали неселективный преобразователь с отверстиями для забора и вывода газа, а также термодесорбер, содержащий соединенный с блоком управления нагревательный элемент и канал для забора продуктов термодесорбции, соединенный с отверстиями для забора газа преобразователей, причем система пневмоэлектрокоммутации выполнена с возможностью подсоединения к камере дозирования и блоку управления либо селективного преобразователя, либо неселективного преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что селективный преобразователь помещен в камеру, снабженную датчиком температуры и нагревателем, соединенным с блоком управления.