ПЕРСОНАЛЬНЫЙ ПРОБООТБОРНИК Российский патент 2007 года по МПК G01N1/22 C12M1/08 C12M1/26 

Изобретение относится к персональным приборам для определения концентрации вредных загрязнений, которые могут присутствовать в окружающем воздухе, в частности, к персональным устройствам для отбора проб аэрозолей и может быть использовано в микробиологической, пищевой, химической промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве.

Персональные пробоотборники предназначены для оценки дозы респирабельных фракций аэрозоля, вдыхаемого исследователем из окружающей среды. Помимо требований высокой эффективности улавливания такие приборы должны обладать малыми геометрическими размерами, весом и, самое главное, небольшим энергопотреблением, так как все снаряжение, обеспечивающее работу прибора, переносится непосредственно исполнителем. Обычное аспирационное потребление воздуха для персональных пробоотборников составляет 4-10 литров в минуту.

Многочисленные исследования биоаэрозолей с использованием различных пробоотборников показали, что жидкостные сорбционные приборы обладают рядом преимуществ перед другими, т.к. обеспечивают высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц респирабельной фракции и позволяют создавать благоприятные условия для сохранения специфических биологических свойств микроорганизмов при отборе проб.

Улавливание аэрозольных частиц в этих устройствах происходит на поверхности жидкостной пленки, образующейся либо за счет раскручивания жидкости на внутренней поверхности циклона входным тангенциальным потоком воздуха, либо за счет вращения с высокой скоростью чаши с сорбирующей жидкостью.

По первому из указанных принципов работает, например, пробоотборник прибора Smart Air Sampler System SASS 200^plus фирмы RESEARCH INTERNATIONAL (httr://www.resrchintl.com/pdf/SASS 2000-specs-061405.pdf). Данный пробоотборник содержит корпус с заборным патрубком и выходным штуцером, к которому присоединен центробежный вентилятор постоянного тока для прокачки воздуха через устройство. В корпусе расположены: цилиндрическая вихревая камера с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, цилиндрический циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, распылитель сорбирующей жидкости, сливную трубку для подачи жидкости из каплесборника в распылитель и трубку слива пробы. При работе прибора осуществляется двухступенчатый процесс улавливания аэрозольных частиц в пробоотборнике. Первый основан на взаимодействии двух встречных аэрозольных потоков: входного исследуемого аэродисперсного потока и жидкостного крупнодисперсного потока, создающегося распылителем в вихревой камере. При этом происходит ударное осаждение частиц из первого потока на капельки жидкости второго потока. Второй процесс осаждения осуществляется за счет центробежных сил из вращающегося воздушного потока на рециркулирующую жидкостную пленку на стенке цилиндрического циклона. Для повышения интенсивности осаждения аэрозольных частиц в циклоне его диаметр выполнен меньшим диаметра вихревой камеры.

Однако данный пробоотборник, обеспечивая высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц респирабельной фракции и позволяя создавать благоприятные условия для сохранения специфических биологических свойств микроорганизмов при отборе проб, не приспособлен для использования его в качестве персонального пробоотборника, поскольку требует значительных расходов воздуха для обеспечения подъема жидкостной пленки в каплесборник, находящийся в верхней части вертикально расположенного циклона, т.е. обладает значительными габаритами и весом.

По принципу вращения чаши с сорбирующей жидкостью работает персональный пробоотборник CIP 10-М (http://www.arelco.fr/ARELCO/PDF/CIP 10 MF.pdf). Однако такой тип пробоотборников требует наличия высокоскоростного привода вращения чаши (7000 об/мин), а кроме того, по сравнению с указанным выше пробоотборником SASS 2000^plus обладает меньшей эффективностью улавливания аэрозольных частиц респирабельной фракции.

Анализ видов современных персональных пробоотборников показывает, что в основном используются различные модификации фильтров, реже применяются импакторы, импинджеры и т.д., использующие "сухие" способы улавливания аэрозоля.

К таким пробоотборникам относится, например, персональный циклонный пробоотборник для аэрозолей по патенту US 4941899, который содержит корпус с выходным штуцером для подключения внешнего вакуумного насоса и заборным патрубком и размещенные в корпусе цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком и циклон, выполненный в форме усеченного конуса и соединенный большим основанием с вихревой камерой. Циклон образует первую ступень пробоотборника, предназначенную для отделения частиц аэрозоля размером свыше 10 микронов и сбора их в легко заменяемую чашку. На выходе из вихревой камеры имеется вторая ступень пробоотборника, выполненная в виде легко заменяемого фильтра для сбора частиц аэрозоля, размером до 0,8 микронов.

Задачей настоящего изобретения является создание пробоотборника, сочетающего в себе как малые габариты и вес, так и действующего по принципу жидкостных сорбционных приборов циклонного типа.

Указанная задача решена за счет того, что персональный пробоотборник содержит корпус с выходным штуцером для подключения внешнего вакуумного насоса и заборным патрубком, цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, выполненный в форме усеченного конуса и соединенный большим основанием с вихревой камерой, сменяемый картридж с сорбирующей жидкостью, кольцевой каплеотбойник, охватывающий снаружи циклон в зоне его меньшего основания, каплесборник, выполненный в виде чашеобразной емкости, открытой стороной направленной к циклону и расположенной между циклоном и картриджем в зоне каплеотбойника, и эжекторный распылитель, размещенный во внутреннем канале заборного патрубка, причем внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с большим диаметром со стороны его выходного среза, а сопло эжекторного распылителя расположено в зоне ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала заборного патрубка со стороны его выходного среза, при этом картридж связан сливной трубкой с каплесборником и эжекторной трубкой с эжекторным распылителем.

Сопло эжектора выполнено в виде отверстия в стенке заборного патрубка и расположено так, что геометрический центр отверстия сопла эжектора находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку во внутреннем канале заборного патрубка.

Кроме того, картридж закреплен в корпусе посредством быстроразъемного соединения.

Выполнение циклона в форме усеченного конуса позволяет при движении вихревого воздушного потока вдоль оси циклона повысить тангенциальную составляющую его скорости за счет сужения текущего диаметра циклона. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить число оборотов воздушного вихря и жидкостной пленки внутри прибора и, следовательно, улучшить процесс улавливания аэрозольных частиц. Кроме того, наличие ступеньки во внутреннем канале заборного патрубка и расположение сопла эжектора на участке канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра приводит к тому, что в этой области создается разрежение, приводящее к засасыванию жидкости из резервуара в заборный патрубок через отверстие сопла эжектора. Такое построение эжектора не увеличивает аэродинамическое сопротивление канала заборного патрубка. При этом под действием поперечных сил входного воздушного потока происходит диспергирование засасываемой жидкостной струи, следовательно, в районе выходного среза заборного патрубка происходит взаимодействие двух набегающих аэрозольных потоков, при котором осуществляется импакция аэрозольных частиц из входного воздушного потока на поверхность жидкокапельного аэрозоля. Это улучшает общую эффективность улавливания аэрозольных частиц в пробоотборнике, так как этот процесс начинается непосредственно в области выходного среза заборного патрубка. При этом горизонтальное расположение циклона примерно на треть сокращает необходимый расход воздуха при сохранении таких параметров, как эффективность улавливания и аэродинамическое сопротивление жидкостных сорбционных приборов с вертикальным расположением циклона. Таким образом, персональный пробоотборник, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, позволяет обеспечить потребление воздуха до 10 л/мин и при этом оптимально минимизировать геометрические параметры, такие как диаметры вихревой камеры и большего основания конического циклона и внутренний диаметр заборного патрубка при сохранении достаточно высокой эффективности улавливания аэрозоля.

Конструкция персонального пробоотборника поясняется подробным его описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показано схематическое изображение пробоотборника, вид сбоку;

на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1;

на фиг.3 показано в увеличенном масштабе место Б на фиг.2.

Пробоотборник содержит корпус 1, в котором горизонтально размещены вихревая камера 2 и циклон 3, имеющий форму усеченного конуса. Большее основание конического циклона 3 сопряжено с вихревой камерой 2. На корпусе 1 имеются также выходной штуцер 4 для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник, например, побудителя вакуума (не показан) и заборный патрубок 5. Заборный патрубок 5 тангенциально введен в вихревую камеру 2. В корпусе 1 установлен сменяемый картридж 6 для размещения в нем сорбирующей жидкости. Картридж 6 закреплен на корпусе посредством быстроразъемного соединения, например, резьбового. На наружной поверхности циклона 3 в зоне его меньшего основания расположен кольцевой каплеотбойник 7, охватывающий циклон 3, под которым установлен чашеобразный каплесборник 8, открытой стороной направленной к циклону и расположенной между циклоном и картриджем в зоне каплеотбойника.

В картридж 6 введена сливная трубка 9, соединяющая картридж 6 с каплесборником 8, и эжекторная трубка 10, соединяющая картридж 6 с эжекторным распылителем, выполненным в виде отверстия 11 в стенке заборного патрубка 5 и ступеньки 12 во внутреннем канале заборного патрубка 5. Ступенька во внутреннем канале заборного патрубка 5 выполнена так, что больший диаметр этого канала расположен со стороны выходного среза патрубка 5, введенного в вихревую камеру. Отверстие 11 сопла эжектора расположено так, что геометрический центр отверстия 11 сопла эжектора находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку 12 во внутреннем канале заборного патрубка. Эжекторная трубка 10 подсоединена к отверстию 11 сопла эжектора посредством штуцера 13 на заборном патрубке 5.

Пробоотборник работает следующим образом.

Предварительно он закрепляется на одежде исследователя так, чтобы ось циклона 3 располагалась примерно горизонтально. Также на одежде исследователя (на поясном ремне) закрепляется побудитель вакуума с автономным питанием, который посредством трубки (не показана) подсоединяется к выходному штуцеру 4 пробоотборника. Побудитель вакуума обеспечивает прокачку воздуха через пробоотборник с заданными расходом воздуха и временем отбора пробы. Входной аэрозольный поток поступает через заборный патрубок 5 в вихревую камеру 2. Отверстие 11 сопла эжектора, расположенное в заборном патрубке 5 в зоне ступенчатого изменения диаметра его внутреннего канала, выполняет функцию эжектирующего элемента, поскольку наличие ступеньки 12 во внутреннем канале заборного патрубка 5 приводит к тому, что в этой области создается значительное разрежение, приводящее к засасыванию жидкости из картриджа 6 через эжекторную трубку 10. Такое построение эжектора не увеличивает аэродинамическое сопротивление внутреннего канала заборного патрубка 5 и снижает потери аэрозоля в распылителе. При этом под действием поперечных сил входного воздушного потока происходит диспергирование засасываемой жидкостной струи, и в районе выходного среза заборного патрубка 5 происходит взаимодействие двух набегающих аэрозольных потоков, при котором осуществляется импакция аэрозольных частиц из входного воздушного потока на поверхность жидкокапельного аэрозоля. Это улучшает общую эффективность улавливания аэрозольных частиц прибора, так как этот процесс начинается сразу же в области выходного среза заборного патрубка 5.

Так как заборный патрубок 5 введен в вихревую камеру 2 тангенциально, то в ней создается совокупный аэрогидродисперсный вихревой поток, жидкостная составляющая которого осаждается на поверхность камеры и создает вращающуюся жидкостную пленку. Наличие внутри объема прибора отрицательного перепада давления, создаваемого внешним побудителем вакуума, приводит к перемещению жидкостной пленки в направлении к меньшему основанию конического циклона 3 по его внутренней стенке в виде широкой плоской спиральной ленты. При соответствующем подборе соотношений между объемной скоростью входного воздушного потока, геометрическими размерами заборного патрубка 5, вихревой камеры 2 и циклона 3 жидкостная лента достигает вершины циклона 2 и плавно переливается через край циклона, стекая с каплеотбойника 7 в каплесборник 8, откуда по сливной трубке 9 поступает в картридж 6, обеспечивая тем самым постоянную рециркуляцию жидкости в приборе.

Аэродисперсный вихревой поток также под действием отрицательного перепада давлений внутри объема циклона перемещается в направлении к вершине конического циклона 3 в виде спиральной струи, вращающейся вокруг оси циклона 3. Ввиду значительных отличий в плотности и вязкости воздуха и жидкости скорости вращения и число совершаемых при перемещении витков двух спиральных потоков значительно различаются.

При этом процесс осаждения аэрозольных частиц из воздушного потока обусловлен двумя механизмами. В вихревой камере 2 и в зоне большего основания циклона 3 осаждение в основном обеспечивается механизмом импакции частиц на поверхность жидкостной пленки за счет веерной струи аэрогидродисперсного потока, вылетающего со значительной начальной скоростью из выходного среза заборного патрубка 5. Второй механизм осаждения определяется наличием тангенциальной составляющей скорости вращения воздушного вихря. Возникающие при этом центробежные силы отбрасывают частицы аэрозоля на стенки циклона, где они улавливаются жидкостной пленкой. Чем больше тангенциальная составляющая скорости вращения, тем больше будут центробежные силы и, следовательно, тем меньшего диаметра аэрозольные частицы могут быть уловлены прибором.

Для взятия пробы на анализ выключают побудитель вакуума и снимают картридж 6 с корпуса 1 пробоотборника.

Кольцевая форма каплеотбойника 7 и чашеобразная форма каплесборника 8 обеспечивают надежный сбор рециркулирующей сорбирующей жидкости при достаточно больших изменениях положения пробоотборника, которые могут возникать в процессе работы исследователя. Выполнение крепления картриджа 6 посредством быстроразъемного соединения обеспечивает легкую смену картриджей путем извлечения использованного картриджа и присоединения нового картриджа с "чистой" сорбирующей жидкостью. Таким образом, исследователь в процессе своей работы может легко и быстро производить замену картриджей, которые могут быть расположены в специальной укладке на его ременном поясе. Анализ полученных проб в этом случае может производиться в любое время по окончании работы исследователя.

Изобретение относится к персональным приборам для определения концентрации вредных загрязнений, которые могут присутствовать в окружающем воздухе, в частности для отбора проб аэрозолей, и может быть использовано в микробиологической, пищевой, химической промышленности, в медицине и сельском хозяйстве. Персональный пробоотборник содержит корпус с выходным штуцером для подключения внешнего вакуумного насоса и заборный патрубок. Пробоотборник имеет цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, выполненный в форме усеченного конуса и соединенный большим основанием с вихревой камерой, сменяемый картридж с сорбирующей жидкостью, кольцевой каплеотбойник, охватывающий снаружи циклон в зоне его меньшего основания, каплесборник, выполненный в виде чашеобразной емкости, открытой стороной, направленной к циклону и расположенной между циклоном и картриджем в зоне каплеотбойника. Во внутреннем канале размещен эжекторный распылитель заборного патрубка. Внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с большим диаметром со стороны его выходного среза. Сопло эжекторного распылителя расположено в зоне ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала заборного патрубка со стороны его выходного среза. Картридж связан сливной трубкой с каплесборником и эжекторной трубкой с эжекторным распылителем. Пробоотборник имеет малые габариты и вес, позволяет эффективно улавливать аэрозоль из окружающего воздуха. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Персональный пробоотборник, содержащий корпус с выходным штуцером для подключения внешнего вакуумного насоса и заборным патрубком, цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, выполненный в форме усеченного конуса и соединенный большим основанием с вихревой камерой, сменяемый картридж с сорбирующей жидкостью, кольцевой каплеотбойник, охватывающий снаружи циклон в зоне его меньшего основания, каплесборник, выполненный в виде чашеобразной емкости, открытой стороной направленной к циклону и расположенной между циклоном и картриджем в зоне каплеотбойника, и эжекторный распылитель, размещенный во внутреннем канале заборного патрубка, причем внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с большим диаметром со стороны его выходного среза, а сопло эжекторного распылителя расположено в зоне ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала заборного патрубка со стороны его выходного среза, при этом картридж связан сливной трубкой с каплесборником и эжекторной трубкой с эжекторным распылителем.2. Персональный пробоотборник по п.1, характеризующийся тем, что сопло эжекторного распылителя выполнено в виде отверстия в стенке заборного патрубка и расположено так, что геометрический центр отверстия сопла находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку во внутреннем канале заборного патрубка.3. Персональный пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что картридж закреплен в корпусе посредством быстроразъемного соединения.