СПОСОБ МОНИТОРИНГА АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГАЗОВ, ПОДАВАЕМЫХ ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА СТАРТОВОЙ ПОЗИЦИИ, И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к технике пробоотбора и контроля содержания механических примесей в воздухе и газовых средах и может быть использовано для непрерывного текущего контроля - мониторинга чистоты применяемых в ракетно-космической технике газов, транспортируемых по магистральным трубопроводам для термостатирования отсеков ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, а также в газовой, атомной, химической и в других отраслях промышленности.

Проведение такого контроля чистоты газовых сред в ракетно-космической технике предусматривается в целях обеспечения надежного и безотказного функционирования бортового оборудования ракет-носителей и космических аппаратов, в частности оптических и чувствительных элементов приборов, панелей солнечных батарей и электронных блоков, работающих в открытом космосе.

Требования к промышленной чистоте газов, газообразных сред и воздуха по содержанию и контролю в них, по дисперсному составу и массовой концентрации механических частиц установлены стандартами ГОСТ Р 50555-93 “Классы чистоты газов”, ГОСТ Р 50766-95 “Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации”. Федеральный стандарт США “Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам в чистовых помещениях и чистовых зонах” FED-STD-209E, 1992 г. и др.

Однако отсутствие в нормативно-технической документации рекомендаций по применению средств и систем мониторинга чистоты газов с требуемыми технико-эксплуатационными характеристиками для широкого промышленного использования подтверждает особую актуальность данного направления разработок.

Известен способ отбора газов, заключающийся в отводе газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к анализному устройству, в качестве которого используют, например, аналитический фильтр, осадительную колонку, фотоэлектрический счетчик (авторское свидетельство СССР №180411, кл. G 01 N 1/22, 1963).

Однако, так как эффективность работы анализных устройств обеспечивается лишь при малых скоростях анализируемого газа, при этом способе и соответствующих ему устройствах не обеспечивается равенство скоростей течения дисперсной среды в отборной трубке и в основном потоке и, следовательно, не обеспечиваются условия изокинетического отбора проб. Кроме того, при малых скоростях анализируемого газа происходит осаждение примесей в отборной трубке. Все это в значительной мере ухудшает представительность пробоотбора и снижает точность анализа указанным способом.

Известен также способ отбора газа, включающий подвод газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к анализатору и в байпасную линию, причем в процессе пробоотбора расход газа регулируют таким образом, чтобы линейные скорости в отборной трубке и в магистральном трубопроводе были равны между собой (ГОСТ 3022-70).

С помощью этого способа можно достичь более высокой точности анализа газов по сравнению с другими известными способами.

Способ осуществляют устройством, включающим зонд, отборную трубку, регулирующие вентили и анализатор.

Недостатком этого способа и соответствующего ему устройства является невозможность получения изокинетического режима движения дисперсной среды в анализной и байпасной линиях. При нарушении изокинетичности концентрация отобранных частиц не будет равна концентрации дисперсной среды в потоке, поэтому анализируемая проба газа не будет представительной. При неизокинетическом отборе пробы имеют место следующие случаи: линейная скорость газа на входе в анализное устройство меньше линейной скорости газа в отборной трубке, линейная скорость газа на входе в анализное устройство больше линейной скорости газа в отборной трубке. В первом случае дисперсная среда отстаивается перед входом анализного устройства и в результате имеет место занижение концентрации частиц в пробе. Во втором случае имеет место завышение концентрации частиц по отношению к концентрации частиц в потоке газа.

Известен способ отбора проб газов и устройство для его осуществления по патенту СССР №819613, кл. G 01 N 1/22, 1978 г., в котором повышение представительности пробы достигается тем, что газ подводят в байпасную линию и на вход в анализатор при равной линейной скорости. Устройство включает зонд, отборную трубку, регулирующую арматуру. Отборная трубка на выходе снабжена конической камерой с установленным в ней коаксиально с возможностью перемещения пробозаборным патрубком, соединенным с анализатором.

Для обеспечения изокинетических условий отбора пробы обеспечивают равенство линейной скорости газа на входе анализного устройства и линейной скорости газа, отводимого в байпасную линию, при котором не будет искривлений линий тока.

С учетом заданного постоянного расхода газа через анализатор и изменяемой в широких пределах линейной скорости газа в отборной трубке в зависимости от линейной скорости газа в магистральном трубопроводе уравнивание скоростей достигают изменением поперечного сечения выходного участка отборной трубки.

Система отбора пробы газа на анализ по данному способу показана в кн.: Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. - М.: Химия, 1989. - 160 с., на с.27-29, 141, 142.

Способ отбора проб газов и устройство для его осуществления по патенту № 819613 позволяют отбирать достоверные пробы газов из технологических трубопроводов, находящихся под давлением, и тем самым существенно повысить точность контроля чистоты газов.

К недостаткам этого способа и соответствующего ему устройства относится непроизводительный расход газа через байпасную линию, который во много раз превышает расход газа на анализ.

Кроме того, поскольку анализатор расположен непосредственно возле пробоотборного устройства, которое в свою очередь размещено в зоне технологического трубопровода, анализатор подвергается воздействию окружающей среды (температура, влажность, осадки, ветровые нагрузки), что отрицательно влияет на точность измерения.

Известно также устройство для отбора проб газов высокого давления по патенту РФ №2152017, кл. G 01 N 1/22, 1998 г., содержащее зонд, пробоотборную трубку, регулирующую арматуру, коническую камеру и анализатор пробы, при этом коническая камера выполнена открытой в основании (принцип работы и конструкция устройства основаны на способе отбора пробы газа и устройстве для его осуществления по патенту №819613).

Устройство по патенту №2152017 обеспечивает при эксплуатации в составе системы термостатирования воздухом высокого давления ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции требуемую работоспособность.

К недостаткам данного устройства также относится непроизводительный расход газа через байпасную линию и воздействие окружающей среды на анализатор при использовании устройства в полевых условиях, что снижает его технико-эксплуатационные характеристики - экономичность, представительность пробоотбора, точность, надежность.

Кроме того, известны способ и устройство для отбора проб газов по патенту РФ №2158421, кл. G 01 N 1/22, 1999 г., содержащее зонд, пробоотборную трубку, коническую камеру с открытым основанием, пробозаборный патрубок и анализатор пробы (принцип работы и конструкция устройства также основаны на способе отбора пробы и устройстве для его осуществления по патенту №819613). Способ и устройство для отбора пробы газов по патенту №2158421 реализованы для мониторинга чистоты термостатирующего воздуха низкого давления, наиболее близки к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату и выбраны в качестве прототипа.

К недостаткам данного способа и устройства также относится непроизводительный расход газа через байпасную линию. Кроме того, в случае возникновения сильных ветровых потоков в атмосфере возможен наддув открытой части конической камеры и нарушение стационарности течения газовой среды, что приводит к резкому снижению изокинетичности пробоотбора и его представительности, а также точности контроля. Также необходимы защита анализатора от воздействия окружающей среды и улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Задачей данного изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик, а именно повышение экономичности, представительности пробоотбора, точности и надежности контроля, а также удобства эксплуатации.

Требуемый технический результат достигается тем, что в способе мониторинга аэрозольного загрязнения газов, включающем отбор газов из магистрального трубопровода при равной линейной скорости в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, подвод газа через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока, после отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу. Кроме того, система для его осуществления, содержащая зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию, снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера, на одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой, а на остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией.

Авторам неизвестны технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 - распределение потоков вблизи отверстия пробозаборного патрубка в случаях, когда:

а - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок меньше линейной скорости газа в отборной трубке;

б - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок больше линейной скорости газа в отборной трубке;

в - линейная скорость газа на входе в пробозаборный патрубок равна линейной скорости газа в отборной трубке, а также линейной скорости газа, отводимой в байпасную линию;

на фиг.2 - схема и устройство отбора газа из магистрального трубопровода через зонд и отборную трубку к пробоотборному устройству, анализатору и термоконтейнеру;

на фиг.3 - схема соединения и конструкция устройства отбора пробы, анализатора и термоконтейнера.

Способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, осуществляют следующим образом.

Производят отбор газа из магистрального трубопровода при равной скорости двухфазного потока газа с твердыми частицами в сечении отбора в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, при этом газ подводят через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока (фиг.1). После отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу.

Для осуществления данного способа мониторинга аэрозольного загрязнения газов предлагается система мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых по магистральному трубопроводу 1 (фиг.2), подключенному через бортовое разъемное соединение 2, для обдува и термостатирования ракет-носителей 3 и космических аппаратов 4, которая содержит устройство отбора и анализа проб газа, установленное на башне обслуживания ракеты-носителя 3 и состоящее из зонда 5, отборной трубки 6, запорного элемента - прямоточного шарового затвора 7 (фиг.3), конической камеры 8 с малым углом конусности (≤15°), открытым основанием и коаксиально размещенного в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборного патрубка 9, анализатора 10 и байпасной линии 11.

Входное отверстие зонда 5 обращено навстречу набегающему потоку газа в магистральном трубопроводе 1.

Система мониторинга снабжена термоконтейнером 12, при этом анализатор 10 размещен внутри термоконтейнера 12 и соединен с пробозаборным патрубком 9 гибким трубопроводом 13, на верхней горизонтальной стенке 14 термоконтейнера выполнено отверстие 15 и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера 8, на одной из боковых стенок 16 выполнен технологический люк с плотно прилегающей к термоконтейнеру крышкой 17, на которой имеется смотровое устройство 18. На остальных стенках выполнены газосбросные отверстия 19, снабженные защитными кожухами 20 с перфорацией 21, представляющей пластины с микроотверстиями или фильтры. Анализатор 10 соединен дистанционно кабелем связи 22 с персональной электронно-вычислительной машиной 23.

Предлагаемый способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов осуществляют данной системой следующим образом. При открытом шаровом затворе 7 термостатирующий газ отбирают при равной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе 1 - V_Г и во входном отверстии зонда 5-V_пр, при этом газ подводят через зонд 5 и отборную трубку 6, шаровой затвор 7 в коническую камеру 8 к пробозаборному патрубку 9, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и байпасную линию при равных линейных скоростях потока V_a=V_пр=V_б (фиг.1в). После отборной трубки в конической камере происходит расширение газового потока, снижение скорости V_пр и давления газа Р_пр до заданных значений на входе в пробозаборный патрубок 9 и анализатор 10.

В зависимости от режима - производительности подачи газа для термостатирования и, соответственно, линейной скорости газа в магистральном трубопроводе V_г изменяется и линейная скорость газа, отбираемого через зонд и отборную трубку V_пр. Затем, принимая во внимание заданный расход газа через анализатор (V_a=const) и расход в байпасной линии, при котором обеспечивается равенство V_пр=V_г, перемещают пробозаборный патрубок 9 в осевом направлении до такого поперечного сечения конической камеры 8, при котором соотношение площадей их проходных сечений S_a/S_б обеспечивает равенство линейных скоростей на вход анализатора и в байпасной линии V_а=V_б. Величину перемещения пробозаборного патрубка L относительно конической камеры определяют по номограмме, графику или таблице и контролируют по специальной шкале, нанесенной непосредственно на пробозаборном патрубке.

Чем меньше скорость потока или расход газа в магистральном трубопроводе 1, тем выше должен быть установлен пробозаборный патрубок 9 в конической камере 8, и наоборот, чем больше скорость или расход газа, тем ниже. Благодаря тому, что пробозаборный патрубок 9 выполнен с возможностью осевого перемещения в конической камере 8, обеспечивается возможность контроля содержания дисперсных частиц в широких диапазонах расходов и скоростей газов в магистральном трубопроводе 1.

Газ, выходящий из пробоотборного устройства в байпасную линию 11, поступает через открытое основание конической камеры 8 и отверстие 15 в полость термоконтейнера 12, обдувает расположенный внутри него анализатор 10 и термостатирует его. Отработанный газ через газосбросные отверстия 19 термоконтейнера 12 и защитные кожухи 20 с перфорацией 21 сбрасывается в атмосферу.

Система мониторинга аэрозольного загрязнения предназначена преимущественно для контроля чистоты воздуха в воздушных системах термостатирования (см., например, воздушные системы термостатирования (ВСОТР) в кн. Космодром. Под общ. ред. А.П.Вольского. М.: Воениздат, 1977. - 309 с., с.202-213). При контроле других газовых сред отработанный газ после выхода через газосбросные отверстия 19 термоконтейнера 12 может отводиться для повторного использования в замкнутом контуре.

Газ, поступающий через пробозаборный патрубок 9 и гибкий трубопровод 13 на вход анализатора 10 - оптико-электронного аэрозольного счетчика ОЭАС-05, прокачивается с заданным расходом через его измерительную камеру. При этом дисперсные аэрозольные частицы пересекают освещенный световым лучом измерительный объем. Световые импульсы, отраженные от дисперсных частиц, улавливаются фотоприемным устройством и преобразуются в электрические импульсы, амплитуды которых пропорциональны размерам частиц, одновременно производится счет импульсов - количества частиц по требуемым размерам и их суммарное количество.

Информация по измеряемой счетной концентрации дисперсных частиц в процессе термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов при подготовке их к пуску непрерывно отображается на цифровом табло анализатора 10, а также одновременно передается дистанционно по кабелю связи 22 на персональную электронно-вычислительную машину 23, расположенную в пункте дистанционного контроля и управления, где обрабатывается программными средствами, отображается на экране монитора 24 и документируется.

С использованием ряда пробоотборных устройств и анализаторов, размещенных в термоконтейнерах, система мониторинга обеспечивает непрерывный одновременный многоканальный дистанционный контроль чистоты термостатирующих газов, подаваемых по различным магистральным трубопроводам. При этом измеряются и регистрируются аэрозольные частицы в термостатирующих газах с размерами

от 0,3 мкм и более;

от 0,5 мкм и более;

от 5,0 мкм и более

в диапазоне счетной концентрации от 1 до 3,5·10⁴ частиц/дм³.

При работе в дистанционном режиме обеспечивается:

- отображение изменений счетной концентрации частиц на экране монитора за время измерения в реальном масштабе времени;

- вывод на экран монитора таблиц и графиков значений счетной концентрации частиц по поддиапазонам их размеров;

- запоминание результатов измерений на магнитном диске;

- вывод результатов измерений на печать;

- дистанционное управление работой оптико-электронного аэрозольного счетчика 10.

Предложенная в изобретении совокупность признаков позволяет получить существенный положительный эффект - улучшение технико-эксплуатационных характеристик, а именно повышение экономичности, представительности пробоотбора, точности и надежности контроля, а также удобства эксплуатации.

Изобретение использовано в полном объеме при создании системы мониторинга параметров воздуха СМIIВ39, подаваемого для обеспечения температурного режима ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции космодрома.

Изобретение относится к технике пробоотбора и контроля содержания механических примесей в воздухе и газовых средах и может найти применение в космической, газовой, атомной, химической и других отраслях промышленности. В способе отбирают газ из магистрального трубопровода при равной линейной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда. Подводят газ через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку. На входе в патрубок осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока. После отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор. Газ для анализатора и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу. Термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува. Затем термостатирующий и анализируемый газ сбрасывают в атмосферу. Система для осуществления способа содержит зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию. Система снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера. На одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой. На остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией. Изобретение обеспечивает представительный пробоотбор, точность и надежность в эксплуатации. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, включающий отбор газа из магистрального трубопровода при равной линейной скорости потока в сечении отбора газа в магистральном трубопроводе и во входном отверстии зонда, подвод газа через зонд и отборную трубку к пробозаборному патрубку, на входе которого осуществляют забор газа в анализатор и в байпасную линию при равных линейных скоростях потока, отличающийся тем, что после отборной трубки одновременно снижают скорость и давление газа до их заданных значений на входе в пробозаборный патрубок и анализатор, а газ для анализа и термостатирования подводят к анализатору через зонд и отборную трубку по единому каналу, при этом термостатирование анализатора осуществляют из байпасной линии путем его обдува, затем термостатирующий и анализируемый газы сбрасывают в атмосферу.2. Система мониторинга аэрозольного загрязнения газов, подаваемых для термостатирования ракет-носителей и космических аппаратов на стартовой позиции, содержащая зонд, отборную трубку, запорный элемент, коническую камеру и коаксиально размещенный в ней с возможностью осевого перемещения пробозаборный патрубок, анализатор и байпасную линию, отличающаяся тем, что она снабжена содержащим внутри себя анализатор термоконтейнером, на верхней горизонтальной стенке которого выполнено отверстие и установлена сопряженная с ним большим основанием коническая камера, на одной из боковых стенок выполнен технологический люк с плотно прилегающей к корпусу термоконтейнера крышкой, а на остальных стенках выполнены газосбросные отверстия, снабженные защитными кожухами с перфорацией.