УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2004 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к области средств отбора и анализа промышленных выбросов, и может быть использовано для контроля воздушного бассейна в городах и промышленных центрах, в т. ч. на промплощадках предприятий и транспортных магистралях.

Известна система детектирования и обнаружения утечек, представляющая собой газоотборную магистраль, на одном конце которой расположен генератор тестового газа, а на другом - газоанализатор и насос. Магистраль располагается в области, где необходимо вести мониторинг состояния окружающей среды (например, в непосредственной близости от трубопроводов, по которым осуществляется перекачка нефтепродуктов, или от баков-хранилищ) и представляет собой многослойный сенсорный трубопровод, внутренний слой которой выполнен из твердой, плохо абсорбирующей перфорированной трубки из поливинилхлорида, имеющей около 1200 отверстий на 1 пог. метр, а верхний, диффузионный слой, выполнен из сополимера ЭВА - этиленвинилацетата. Для защиты от механических повреждений трубка помещена в экран (1-5).

Принцип действия известной системы основан на диффузии газов из окружающей среды через проницаемый слой ЭВА во внутренний трубопровод, транспортировке проб по трубопроводу к газоанализатору и определении качественного и количественного состава контролируемой среды. Для локализации источника определенной газовой компоненты проводится предварительная временная калибровка магистрали при помощи тестового газа, позволяющая в дальнейшем по времени прихода сигнала на газоанализатор определить его пространственное положение.

Известим система позволяет обнаруживать наличие в окружающем воздухе углеводородов (например, пропан, эфиры, кетоны, алкоголи, нефть и проч.), так и неорганических газов (водород, аммиак).

Недостатками известной системы являются:

- селективность проницаемости диффузионного слоя по отношению к различным газам, что обусловлено как свойствами материала слоя, так и влиянием внешних факторов, в частности температуры окружающей среды;

- трудность анализа содержания газовых компонент, концентрация которых находится на пределе порога чувствительности анализирующей аппаратуры.

Известна система газового контроля, состоящая из общего коллектора, обегающего устройства, датчиков состава анализируемого газа, включенных в общий коллектор и газоотборных магистралей, при этом на каждой из магистралей перед общим коллектором установлен пневмоклапан подачи анализируемого газа, соединенный с обегающим устройством, а в точках расхода газа установлены побудители расхода (6).

Известная система работает следующим образом. Обегающее устройство поочередно включает пневмоклапаны подачи анализируемого газа, открывая доступ к общему коллектору и датчикам состава одной газоотборной магистрали, поддерживая в закрытом состоянии пневмоклапаны подачи анализируемого газа остальных магистралей. Постоянное присутствие анализируемого газа перед пневмоклапанами обеспечивается побудителями расхода. Все точки отбора опрашиваются поочередно и по завершении цикла опроса подключается магистраль эталонного газа, с помощью которого осуществляется контроль исправности системы.

В известной системе газового контроля реализован принцип последовательного опроса всех точек отбора и отсутствует возможность всех точек отбора и отсутствует возможность произвольного выбора точки отбора (т.е. для анализа i-точки отбора обегающее устройство должно произвести опрос всех расположенных до нее точек). Это снижает оперативность получения информации о состоянии среды на контролируемых объектах, особенно при достаточно большом их количестве.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является система отбора и анализа проб воздуха от плоских наземных источников загрязнений, включающая расположенные по периметру источника загрязнений пробоотборники, каждый из которых связан посредством газоотборной магистрали с переключающими устройствами, кодовые входы которых соединены с блоком выбора точек отбора, а выходы подключены к первым входам электромагнитных клапанов, связанных выходами с датчиками концентраций, и стробирующее устройство, выходы которого подсоединены к входам управления электромагнитных клапанов (7).

Известное устройство работает следующим образом. В зависимости от параметров окружающей среды (направления ветра) и построенного изображения источника загрязнений, осуществляется выбор соответствующей точки отбора, имеющей свой код, который с блока выбора точки отбора поступает на переключающие устройства, в результате чего к переключающим устройствам подключается соответствующая газоотборная магистраль. Газовая проба через электромагнитные клапаны поступает в датчики концентраций. Частота подключения электромагнитных клапанов к датчикам регулируется стробирующим устройством. В дальнейшем сигналы с датчиков поступают в вычислительное устройство, где по значениям концентраций загрязняющих веществ и геометрическим размерам источника вычисляется массовый выброс от источника загрязнений.

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

Автономное соединение каждого пробоотборника с переключающим устройством и, соответственно, с анализирующим датчиком, при помощи отдельной магистрали значительно затрудняет использование устройства для контроля протяженных воздушных бассейнов, когда требуется большое количество точек отбора, так как это связано с использованием большого числа подводящих магистралей и усложнением конструкции переключающего устройства.

Переключающее устройство направляет для анализа в каждый текущий момент времени пробу только от одной точки (от одного пробоотборника), т.е. в известном устройстве реализуется режим одиночного опроса. Это снижает оперативность получения информации о состоянии воздушного бассейна, особенно в тех случаях, когда необходимо обеспечить мониторинг состояния окружающей среды большой площади.

Использование режима стробирования позволяет увеличить время анализа компонент, концентрация которых находится на пределе порога чувствительности датчика, однако отсутствие автоматического режима управления временем анализа снижает быстродействие устройства и оперативность получения информации о состоянии воздушной среды, что особенно важно при наличии в ней токсичных и вредных веществ.

Задача, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей и повышение оперативности получения информации о состоянии контролируемой среды.

Указанная задача решается тем, что устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды, содержащее пробоотборные устройства, связанные с газоотборным трактом, газоанализирующее устройство и канал управления пробоотборными устройствами, снабжено каналом накопления анализируемой пробы; газоанализирующее устройство подсоединено своим входом к одному концу газоотборного тракта, выполненного в виде магистрали, к другому концу которого подключен генератор тестового газа; канал управления пробоотборными устройствами содержит первую схему сравнения, вход которой подключен к первому выходу газоанализирующего устройства, а выход подсоединен к сигнальному входу схемы задержки, вторую схему сравнения, первый вход которой подключен к выходу памяти, второй вход соединен со вторым выходом газоанализирующего устройства, первый выход подсоединен к входу шифратора, а второй выход связан с управляющим входом схемы задержки; первый выход шифратора соединен с установленными на пробоотборных устройствах дешифраторами, второй выход шифратора подсоединен к входу исполнительного устройства, выход которого связан с пробоотборными устройствами; выход схемы задержки подсоединен к установленному на магистрали поворотному электропневмоклапану, к которому подключен входной трубопровод канала накопления анализируемой пробы, выходной трубопровод которого соединен с магистралью, а выход газоанализирующего устройства подключен к насосу.

Канал накопления анализируемой пробы включает абсорбционную камеру с абсорбентом и нагревателем, подключенным к блоку нагрева, запорную арматуру, установленную на входном и выходном трубопроводах, и программный блок, подключенный к блоку нагрева и запорной арматуре.

Газоотборная магистраль выполнена в виде трубы из полиэтилена, на внешней поверхности которой расположены медные проводящие дорожки, закрытые сверху слоем полимерного компаунда.

На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого устройства, на фиг.2 показано конструктивное решение газоотборной магистрали.

Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды включает газоотборную магистраль 1, на одном конце которой расположен генератор тестового газа 2, а на другом - газоанализирующее устройство 3 и насос 4, пробоотборники 5, выполненные, например, в виде электропневмоклапанов, размещенных равномерно на определенном расстоянии друг от друга на магистрали 1, и снабженных дешифраторами 6, блок управления работой пробоотборников 7, и канал накопления сигнала 8; выполненный в виде абсорбционной камеры 9, содержащей сорбент 10 и нагреватель 11, и соединенной с магистралью 1 входным 12 и выходным 13 трубопроводами, на которых установлены, соответственно, клапаны 14 и 15, причем клапан 14 выполнен трехходовым. Нагреватель 11 подключен к блоку нагрева 16. Для продувки абсорбционная камера 9 снабжена трубопроводом 17, на конце которого установлен клапан 18. Управление работой клапанов 14,15,18 и блока нагрева 16 осуществляется посредством программного блока 19. Для направления анализируемой пробы в абсорбционную камеру 8 на магистрали 1 в месте ее соединения с входным трубопроводом 11 установлен поворотный электропневмоклапан 20.

Блок управления работой пробоотборников 7 состоит из первой схемы сравнения 21, вход которой подключен к первому выходу газоанализирующего устройства 3, а выход соединен с сигнальным входом схемы задержки 22; памяти 23, выход которой подключен к первому входу второй схемы сравнения 24, второй вход которой подсоединен ко второму выходу газоанализирующего устройства 3, первый выход - к входу шифратора 25, первый выход которого соединен с дешифраторами 6, а второй выход - с входом исполнительного устройства 26, связанного с пробоотборниками 5, а второй выход схемы сравнения 24 подсоединен к управляющему входу схемы задержки 22, выход которой подключен к электропневмоклапану 20.

Магистраль 1 выполнена в виде трубки 27 из полиэтилена, на внешней поверхности которой расположены медные проводящие дорожки 28, соединяющие шифратор 25 с дешифраторами 6 и закрытые сверху слоем полимерного компаунда 29.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В первоначальном положении пробоотборники 5 закрыты. Включается насос 4, создающий в магистрали 1 разрежение. Затем в магистраль 1 напускается из генератора 2 пробный газ, например водород, с помощью которого осуществляется временная калибровка магистрали 1, т.е. каждому из пробоотборников 5 ставится в соответствие определенное время пробега газовой пробы от него до газоанализатора 3.

Исполнительное устройство 26 одновременно открывает все пробоотборники 5 на заданный интервал время Т, и в магистраль 1 поступает газ из окружающей пробоотборники 5 среды. Спустя время Т пробоотборники 5 закрываются.

В газоанализирующем устройстве 3 определяется газовый состав, амплитуда "i"-пробы, соответствующая ее концентрации, и время прихода пробы, по которому устанавливается номер "i"-ого пробоотборника, и по карте расположения магистрали определяется область воздушного бассейна с данным составом и концентрацией газовой среды.

Используемый режим работы устройства позволяет вести мониторинг больших участков и фиксировать даже кратковременные выбросы.

В том случае, когда амплитуда анализируемой газовой пробы от "i-ого пробоотборника не может быть уверенно идентифицирована на уровне собственных шумов газоанализирующего устройства 3, используется режим накопления сигнала. После того, как все пробоотборники 5 закрыты, с первого выхода газоанализирующего устройства 3 сигнал, соответствующий амплитуде анализируемой пробы, поступает на вход первой схемы сравнения 21. В том случае, если амплитуда сигнала меньше у ставки, соответствующей порогу чувствительности газоанализирующего устройства 3, схема сравнения 21 вырабатывает выходной сигнал, поступающий на сигнальный вход схемы задержки 22. Одновременно со второго выхода газоанализирующего устройства 3 на второй вход второй схемы сравнения 24 поступает сигнал, несущий информацию о времени t прихода сигнала на газоанализатор 3. Память 23, в которую занесена информация о временной калибровки магистрали 1, передает ее на первый вход второй схемы сравнения 24, в результате чего схема сравнения 24 вырабатывает выходной сигнал, несущий информацию о номере пробоотборника, соответствующего данному значению t. Шифратор 25 определяет код, соответствующий данному номеру пробоотборника, и производит по первому выходу опрос дешифраторов 6. При совпадении кода, передаваемого шифратором 25, и кода, хранящегося в соответствующем дешифраторе 6, шифратор 25 вырабатывает управляющий сигнал, который со второго выхода шифратора 25 передается на исполнительное устройство 26, которое открывает "i"-й пробоотборник. Время нахождения пробоотборника в открытом положении равно Т.

Одновременно с выработкой сигнала, определяющего номер пробоотборника, схема сравнения 24 вырабатывает сигнал, управляющий работой схемы задержки 22, в результате чего спустя некоторое время после повторного открытия пробоотборника сигнал с выхода первой схемы сравнения 21, пройдя схему задержки 22, открывает поворотный электропневмоклапан 20, и отбираемая газовая проба направляется в абсорбционную камеру 9.

В исходном положении клапан 14 открыт, клапаны 15 и 18 закрыты. Поступающая по трубопроводу 12 газовая проба поглощается сорбентом 9. Спустя время Т, после того, как "i"-й пробоотборник закрывается, программный блок 19 открывает клапан 15 и включает блок нагрева 10. В результате нагрева камеры 9 происходит десорбция поглощенного сорбентом газа, который затем по трубопроводу 13 поступает в магистраль 1 для повторного анализа. Если амплитуда повторной пробы опять недостаточна, цикл накопления сигнала повторяется.

Таким образом, в заявляемом устройстве реализуется режим одновременного опроса всех пробоотборников (при использовании одной газоотборной магистрали) с разнесенной во времени регистрацией проб в анализирующем устройстве и обеспечивается автоматическое управление временем их анализа, что по сравнению с прототипом расширяет функциональные возможности устройства и повышает оперативность получения информации о состоянии контролируемого воздушного бассейна.

ЛИТЕРАТУРА

1. "Leak Detection Location and System". Проспект фирмы "Siemens", 1991 г.

2. Патент США №5589647, кл. 73/863.23, 1996 г.

3. Патент США №5708218, кл. 73/863.23, 1998 г.

4. Патент США №5992217, кл. 73/40, 1999 г.

5. Патент США №6088417, кл. 376/250, 2000 г.

6. Авторское свидетельство СССР №1511629, кл. G 01 N 1/26, 1989 г, БИ №36.

7. Авторское свидетельство СССР №1288531, кл. G 01 N 1/22, 1987 г., БИ №5 (прототип).

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для отбора и анализа промышленных выбросов и контроля воздушного бассейна в городах и промышленных центрах. Устройство содержит пробоотборные устройства, связанные с газоотборным трактом, газоанализирующее устройство и канал управления пробоотборными устройствами. Устройство снабжено каналом накопления анализируемой пробы. Газоанализирующее устройство подсоединено своим выходом к одному концу газоотборного тракта, выполненного в виде магистрали. К другому концу газоотборного тракта подключен генератор тестового газа. Канал управления пробоотборными устройствами содержит первую схему сравнения. Вход схемы сравнения подключен к первому выходу газоанализирующего устройства, а выход подсоединен к сигнальному входу схемы задержки. Канал управления содержит вторую схему сравнения, первый вход которой подключен к выходу памяти, а второй вход соединен со вторым выходом газоанализирующего устройства. Первый выход второй схемы сравнения подсоединен к входу шифратора, а второй выход связан с управляющим входом схемы задержки. Первый выход шифратора соединен с установленными на пробоотборных устройствах дешифраторами. Второй выход шифратора подсоединен к входу исполнительного устройства. Выход исполнительного устройства связан с пробоотборными устройствами. Выход схемы задержки подсоединен к установленному на магистрали поворотному электропневмоклапану, к которому подключен входной трубопровод канала накопления анализируемой пробы. Выходной трубопровод канала накопления пробы соединен с магистралью. Выход газоанализирующего устройства подключен к насосу. Изобретение позволяет получить оперативную информацию о состоянии контролируемой среды и имеет широкие функциональные возможности. 2 ил.

1. Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды, содержащее пробоотборные устройства, связанные с газоотборным трактом, газоанализирующее устройство и канал управления пробоотборными устройствами, отличающееся тем, что оно снабжено каналом накопления анализируемой пробы, газоанализирующее устройство подсоединено своим входом к одному концу газоотборного тракта, выполненного в виде магистрали, к другому концу которого подключен генератор тестового газа, канал управления пробоотборными устройствами содержит первую схему сравнения, вход которой подключен к первому выходу газоанализирующего устройства, а выход подсоединен к сигнальному входу схемы задержки, вторую схему сравнения, первый вход которой подключен к выходу памяти, второй вход соединен со вторым выходом газоанализирующего устройства, первый выход подсоединен к входу шифратора, а второй выход связан с управляющим входом схемы задержки, первый выход шифратора соединен с установленными на пробоотборных устройствах дешифраторами, второй выход шифратора подсоединен к входу исполнительного устройства, выход которого связан с пробоотборными устройствами, выход схемы задержки подсоединен к установленному на магистрали поворотному электропневмоклапану, к которому подключен входной трубопровод канала накопления анализируемой пробы, выходной трубопровод которого соединен с магистралью, при этом выход газоанализирующего устройства подключен к насосу.2. Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды по п.1, отличающееся тем, что канал накопления анализируемой пробы включает абсорбционную камеру с абсорбентом и нагревателем, подключенным к блоку нагрева, запорную арматуру, установленную на входном и выходном трубопроводах, и программный блок, подключенный к блоку нагрева и запорной арматуре.3. Устройство для дистанционного мониторинга окружающей среды по п.1, отличающееся тем, что магистраль выполнена в виде трубы из полиэтилена, на внешней поверхности которой расположены медные проводящие дорожки, закрытые сверху слоем полимерного компаунда.