УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ГАЗОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к технике отбора проб газов и может быть использовано для контроля содержания механических твердодисперсных частиц (примесей) в сжатых газах (в воздухе, азоте, гелии, водороде, аргоне, неоне, ксеноне, кислороде и др.), применяемых в ракетно-космической технике, авиации, машиностроении и в других отраслях народного хозяйства.

Известны устройства для отбора проб газов, реализованные по способу Патента RU N 180411, МКИ⁶ G 01 N 1/22, 1963, содержащие зонд, установленный в магистральном трубопроводе, отборную трубку и анализный прибор, например, аналитический фильтр.

Преимуществами этих устройств являются несложность конструкции, простота и быстрота отбора проб газов.

К основным недостаткам их относятся следующие:
- не обеспечивается равенство скоростей течения дисперсной среды в отборной трубке и в магистральном трубопроводе, в результате чего имеет место анизокинетический отбор пробы газа вместо изокинетического, что не соответствует Федеральному Стандарту США. Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам в чистовых помещениях и чистовых зонах. FED-STD-209E и ГОСТу P 50766-95. Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации, Госстандарт РФ, Москва, 1995 г., поэтому эти устройства не отвечают критерию изокинетичности отбора пробы;
- при нарушении изокинетичности концентрация отобранных частиц не будет равна концентрации дисперсной среды в магистральном трубопроводе, поэтому анализируемая проба газа не будет представительной, следовательно, эти устройства не отвечают критерию представительности пробы;
- при малых скоростях анализируемого газа происходит осаждение примесей в отборной трубке, что в значительной мере снижает представительность анализа.

Из вышеизложенного следует, что рассматриваемые устройства не обеспечивают необходимую надежность работы и, следовательно, не отвечают критерию надежности.

Известны способ и устройство для отбора проб газов по ГОСТ 3022-ТО, Госстандарт СССР, Москва, 1970, содержащее зонд, отборную трубку, регулирующие вентили, анализатор пробы и байпасную линию.

К недостаткам этого устройства относятся:
- невозможность обеспечения изокинетического отбора пробы газа из-за нарушения равенства средних скоростей дисперсной среды в анализной и байпасной линиях;
- сложность оперативной регулировки расходов путем маневрирования регулирующими вентилями (путем открывания, закрывания).

Помимо усложнения условий эксплуатации это обстоятельство не обеспечивает необходимую надежность работы устройства.

Таким образом, рассматриваемое устройство не отвечает критериям надежности, изокинетичности, а следовательно, и представительности отбора пробы газа.

Известно устройство контроля содержания механических примесей в сжатых газах КБОМ (рекламный листок, 1998 г.), содержащее корпус, камеру изокинетического отбора пробы, смотровое устройство, ротаметры, механизм регулирования положения ввода, вентили, дроссель и камеру аналитического фильтра.

В механизме регулирования используется зубчатая передача, в которой одна шестерня установлена на ходовом винте, а другая на валу, который заканчивается рукояткой, расположенной сбоку устройства.

Недостатком устройства является сложность конструкции.

Кроме того, крупные частицы осаждаются на стенках пробоотборной трубки, а субмикронные частицы проскакивают через фильтр, что снижает надежность работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для отбора проб газов по ЕР 0219188 А1, кл. G 01 N 1/22, 22.04.87 г. , содержащее зонд, выполненный в виде конфузора, соединенную с зондом отборную трубку, коническую камеру, пробозаборный патрубок и анализатор пробы. Это устройство выбрано в качестве прототипа.

Главными недостатками прототипа являются следующие:
- при закрытом основании конической камеры за счет гравитации происходит оседание частиц в объеме и на по внутренней поверхности основания, так как объем вблизи основания представляет собой своего рода отстойник (застойная зона), где скорость потока равна нулю, что снижает надежность анализа;
- отсутствие средств для точной установки пробозаборного патрубка в нужном сечении конической камеры при различных скоростях потока в магистральном трубопроводе, что создает определенные трудности и часто приводит к нарушению изокинетичности отбора пробы;
- коническая камера установлена горизонтально, что способствует быстрейшему осаждению частиц под действием гравитационных сил; это резко снижает надежность отбора пробы газа.

Задачей изобретения является повышение надежности отбора проб газов путем обеспечения изокинетичности отбора и тем самым представительности анализируемой пробы.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном устройстве для отбора проб газов, содержащем зонд, выполненный в виде конфузора, соединенную с ним пробоотборную трубку, коническую камеру, пробозаборный патрубок и анализатор пробы, угол конусности α конфузора выбран в пределах 5^o < α < 25^o, а пробозаборный патрубок выполнен в виде полого цилиндра с входным конфузором с углом конусности γ, выбранным в пределах 5^o < γ < 40^o, имеющего рукоятку, установленную в нижней его части, и указатель скорости, при этом в средней части пробозаборного патрубка выполнена наружная резьба, а в центральной части нижнего основания конической камеры установлена втулка, имеющая внутреннюю резьбу, взаимодействующую с наружной резьбой пробозаборного патрубка, причем вертикальная ось симметрии конической камеры, пробозаборного патрубка, втулки и рукоятки расположены на одной прямой, а на периферийной части нижнего основания конической камеры вертикально смонтирована пластинка, с нанесенной по ее высоте шкалой скорости потока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для отбора проб газов; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - график зависимости высоты установки пробозаборного патрубка H в конической камере от средней скорости потока W в магистральном трубопроводе.

Этот график приведен в качестве примера, показывающего нахождение месторасположения пробозаборного патрубка в конической камере при разных скоростях потока в магистральном трубопроводе. В каждом конкретном случае будет свой аналогичный график.

Устройство для отбора проб газов содержит зонд 1, осесимметрично установленный в магистральном трубопроводе 2, пробоотборную трубку 3, соединенную одним концом с зондом, а другим - с конической камерой 4, пробозаборный патрубок 5, коаксиально расположенный в конической камере 4 и соединенный посредством трубки с анализатором пробы 6. Зонд 1 выполнен в виде конфузора с углом конусности α в пределах 5^o < α < 25^o. Входное отверстие зонда 1 обращено навстречу потоку газа в магистральном трубопроводе 2.

Пробозаборный патрубок 5 выполнен с входным конфузором с углом конусности γ, выбранным в пределах 5^o < γ < 40^o в виде полого цилиндра, снабженного установленными в нижней его части 7 рукояткой 8 и указателем скорости 9. В средней части 10 пробозаборного патрубка 5 выполнена наружная резьба 11, которая взаимодействует с внутренней резьбой втулки 12, расположенной в центральной части нижнего основания 13 конической камеры 4. При этом вертикальные оси 14 геометрической симметрии конической камеры 4, пробозаборного патрубка 5, втулки 12 и рукоятки 8 расположены на одной прямой. В периферийной части нижнего основания 13 конической камеры 4 установлена вертикальная пластинка 15, по высоте которой нанесена шкала скорости.

При транспортировке и хранении устройства нижнее основание 13 конической камеры 4 закрывают крышкой (на фиг.1 крышка условно не показана).

Устройство работает следующим образом. Открывают крышку нижнего основания 13 конической камеры 4. При этом двухфазный поток (поток газа с твердыми частицами), поступающий во входное сечение зонда 1, имеет те же скорость и направление, что и поток в магистральном трубопроводе 2, то есть обеспечиваются условия изокинетичности отбора пробы, а следовательно, и представительности анализируемой пробы.

Затем, зная среднюю скорость потока в магистральном трубопроводе в сечении, где расположено входное сечение зонда, по графику, например, фиг. 3, находят необходимую высоту установки H пробозаборного патрубка в конической камере (фиг. 1).

Путем вращения рукоятки 8 точно устанавливают стрелку указателя скорости 9 напротив значения скорости потока в магистральном трубопроводе, показанного на шкале пластинки 15. При этом автоматически достигается необходимая высота H установки пробозаборного патрубка в конической камере с полным соблюдением условий изокинетичности отбора пробы (то есть при одинаковости направления набегающего потока и равенстве средних скоростей потока на срезе пробозаборного патрубка и на том же уровне в конической камере). После этого производят измерение концентраций твердодисперных частиц в анализируемом газе.

В качестве анализатора пробы при испытаниях предлагаемого устройства был использован высокоточный счетчик аэрозольных частиц ПК.ГТА-03-002В, разработанный Выборгским приборостроительным заводом.

Для обеспечения безотрывности потока от стенок при входе, уменьшения сопротивления входа и сохранения равномерности распределения дисперсной фазы зонд 1, выполненный в виде конфузора, имеет угол конусности α в пределах 5^o < α < 25^o, что подтверждено результатами испытаний реального пробоотборного устройства 8Г332П.Сб00-460.

Анализ результатов сравнительных испытаний устройств для отбора проб газов с предлагаемой конструкцией зонда и цилиндрическим зондом показал, что при углах конусности 5^o < α < 25^o сопротивление входа уменьшается, поток равномерен, безотрывен, а отличие концентрации частиц в пробе от концентрации частиц в исследуемом газе в магистральном трубопроводе практически не наблюдается.

Наряду с этим условия отбора пробы улучшаются особенно при малых скоростях потока в магистральном трубопроводе (до 15 м/с), не говоря уже о больших скоростях потока, достигающих 30 м/с и более.

Выполнение пробозаборного патрубка 5 с верхней входной конфузорной частью с углом конусности γ в пределах 5^o < γ < 40^o, найденном экспериментально, исключает возмущение потока от последующих частей и взаимное их влияние на условия входа. В итоге обеспечивается плавный, равномерный вход потока в пробозаборный патрубок и сохраняется равномерность распределения дисперсной фазы в потоке, что в целом повышает надежность отбора пробы с соблюдением всех условий изокинетичности.

В средней части 10 пробозаборного патрубка 5 выполнена наружная резьба 11, ввинчиваемая во внутреннюю резьбу втулки 12, расположенной в центральной части нижнего основания 13 конической камеры.

Такое конструктивное выполнение, как показывает анализ, повышает работоспособность, надежность, жесткость, устойчивость и теплостойкость пробозаборного патрубка при отборе проб горячих и холодных газов. Втулка 12 является направляющим и центрирующим элементом, одновременно повышающим устойчивость пробозаборного патрубка. Благодаря втулке 12 вращательное движение рукоятки преобразуется в возвратно-поступательное движение пробозаборного патрубка вертикально вверх и вниз.

То, что вертикальные оси симметрии конической камеры, пробозаборного патрубка, втулки и рукоятки расположены на одной прямой, обеспечивает их соосность, жесткость, устойчивость и виброустойчивость, без которых немыслима нормальная работа устройства.

Снабжение пробозаборного патрубка установленными в нижней его части рукояткой и указателем скорости позволяет, во- первых, точно и быстро устанавливать входное сечение пробозаборного патрубка в необходимом сечении конической камеры, при котором обеспечиваются условия изокинетичности отбора пробы, чего нельзя достичь в прототипе и в аналогах, во-вторых, путем вращения рукоятки в ту или иную сторону легко можно поднять или опустить пробозаборный патрубок, что облегчает и ускоряет процесс пробоотбора, в-третьих, пользуясь рукояткой, указателем скорости и шкалой скорости можно быстро и точно подготовить устройство к работе при переменных режимах работы магистрального трубопровода.

На пластинке 15 шкала скорости может быть выполнена практические любой ценой деления, например, до 1 м/с (фиг. 2), но чем меньше цена деления, тем точнее устанавливается пробозаборный патрубок в конической камере, а стало быть, и тем точнее результат анализа, что повышает надежность работы устройства.

Для обеспечения эффективности работы, безотрывности течения газового потока и равномерности распределения дисперсной фазы в расширяющемся газовом потоке коническая камера 4 установлена вертикально и выполнена с малым углом конусности β в пределах 5^o < β < 15^o, что повышает надежность пробоотбора в условиях гравитации [Дейч М. Е. "Техническая газодинамика", Москва, ГЭИ, 1961.].

Изготовление устройства для отбора проб газов не представляет особых трудностей и может быть осуществлено в обычных производственных условиях.

Таким образом, совокупность признаков, изложенных в формуле изобретения, их неразрывное единство и целенаправленность позволяют получить существенный положительный эффект, а именно: повысить надежность отбора проб газов путем обеспечения изокинетичности отбора и тем самым представительности анализируемой пробы.

Изобретение использовано в полном объеме при создании устройства для отбора проб воздуха с целью контроля его чистоты в системе 8Г332П, предназначенной для термостатирования космических объектов типа "Икар" на комплексах 17П32-5 и 17П32-6.

Устройство может быть использовано для контроля содержания механических твердодисперсных частиц в сжатых газах. Устройство для отбора проб газов содержит зонд, выполненный в виде конфузора, соединенную с зондом пробоотборную трубку, коническую камеру, пробозаборный патрубок и анализатор пробы. Угол конусности α конфузора выбран в пределах 5° < α < 25°. Пробозаборный патрубок выполнен в виде полого цилиндра с входным конфузором с углом конусности γ. Угол γ выбран в пределах 5° < γ < 40°. Пробозаборный патрубок имеет рукоятку, установленную в нижней его части, и указатель скорости. В средней части пробозаборного патрубка выполнена наружная резьба. В центральной части нижнего основания конической камеры установлена втулка, имеющая внутреннюю резьбу, взаимодействующую с наружной резьбой пробозаборного патрубка. Вертикальные оси симметрии конической камеры, пробозаборного патрубка, втулки и рукоятки расположены на одной прямой. На периферийной части нижнего основания конической камеры вертикально смонтирована пластинка с нанесенной по ее высоте шкалой скорости потока. Устройство повышает надежность отбора проб газов путем обеспечения изокинетичности отбора и повышает представительность пробы. 3 ил.

Устройство для отбора проб газов, содержащее зонд, выполненный в виде конфузора, соединенную с зондом пробоотборную трубку, коническую камеру, пробозаборный патрубок и анализатор пробы, отличающееся тем, что угол конусности α конфузора выбран в пределах 5^o < α < 25^o, а пробозаборный патрубко выполнен в виде полого цилиндра с входным конфузором с углом конусности γ, выбранным в пределах 5^o < γ < 40^o, имеющего рукоятку, установленную в нижней его части, и указатель скорости, при этом в средней части пробозаборного патрубка выполнена наружная резьба, а в центральной части нижнего основания конической камеры установлена втулка, имеющая внутреннюю резьбу, взаимодействующую с наружной резьбой пробозаборного патрубка, причем вертикальные оси симметрии конической камеры, пробозаборного патрубка, втулки и рукоятки расположены на одной прямой и на периферийной части нижнего основания конической камеры вертикально смонтирована пластинка с нанесенной по ее высоте шкалой скорости потока.