УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ПРИНУДИТЕЛЬНО ОСАЖДАЕМЫХ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ В ТОЧКЕ ТОРМОЖЕНИЯ ПОТОКА Российский патент 2016 года по МПК G01N15/02 

Устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока содержит полупроводниковый кондуктометрический сенсор, что позволяет в режиме реального времени контролировать количество принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в районе точки торможения потока, например, в каскадном импакторе. Такой результат достигается за счет того, что, как установлено авторами, полупроводниковые кондуктометрические сенсоры способны изменять свою проводимость не только при попадании на их чувствительную поверхность молекул газов, но и частиц аэрозоля.

Техническое решение относится к устройствам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля аварийных выбросов.

В настоящий момент существует несколько способов контроля концентраций осаждаемого аэрозоля. Наиболее распространенным и признанным в качестве стандарта в Европе, в частности в России, Великобритании, Франции, Бельгии и др., является гравитационный способ, суть которого заключается в выделении из аэрозольного потока частиц и определения их массы. Выделение частиц, как правило, осуществляется через пропускание проб воздуха через различные фильтры, при этом по массе частиц, осажденных на фильтрах, определяют концентрацию С аэрозоля в воздухе по следующей формуле:

$$C=\frac{m}{Q\tau }$$ ,

где m - масса осажденных частиц, мг;

Q - объемный расход воздуха через пробоотборник, м/с;

τ - время отбора пробы, с.

Основные преимущества этого способа - получение массовой концентрации веществ и отсутствие влияния их химического и дисперсного состава на результаты измерений. К недостаткам относятся большая трудоемкость процесса измерения и отсутствие возможности контроля изменения концентрации аэрозоля в режиме реального времени.

Известно устройство для измерения осаждаемых частиц аэрозоля, состоящее из полупроводникового сенсора [1]. Данный сенсор реагирует на дым, частицы которого осаждаются на поверхности чувствительного пленочного слоя, изменяя его электрическое сопротивление. Недостатком данного устройства является невозможность измерения концентрации принудительно осаждаемых частиц аэрозоля. Устройство является только сигнализатором дыма.

Известно устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока, содержащее отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого установлен сборник частиц аэрозоля, а измерительная камера через выходной канал соединена с побудителем расхода [2]. Недостатком данного устройства является невозможность измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в реальном времени, сложность обработки результатов и невысокая точность полученных результатов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока, содержащее отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого в измерительной камере установлен сенсор с рабочей поверхностью, подключенный к блоку обработки информации, а измерительная камера через канал соединена с отборником воздуха. Недостатками данного устройства являются невысокая точность измерения, плохая селективность и невозможность проводить измерения в режиме реального времени.

Задача создания устройства состояла в повышении точности измерений концентрации аэрозоля в режиме реального времени.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока содержит: отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого в измерительной камере установлен сенсор с рабочей поверхностью, подключенный к блоку обработки информации, а измерительная камера соединена с отборником воздуха, и согласно изобретению измерительная камера снабжена плоской планкой с верхней и нижней поверхностями и соединена с отборником воздуха, отличающееся тем, что планка имеет коническое отверстие, направленное к сенсору, закрепленному в нем, причем верхняя поверхность планки и чувствительная поверхность сенсора предназначены для принудительного осаждения аэрозоля, а сенсор выполнен из полупроводника, меняющего свои резистивные свойства пропорционально количеству осаждаемого аэрозоля.

Кроме того, площадь нижней части концентратора равна или меньше площади рабочей поверхности сенсора, что позволяет повысить чувствительность сенсора.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фигуре изображена структурная схема устройства для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока: 1 - отборник аэрозоля; 2 - ускоряющий канал; 3 - измерительная камера; 4 - полупроводниковый сенсор; 5 - плоская планка; 6 - верхняя поверхность планки 5, на которой принудительно осаждается аэрозоль; 7 - нижняя поверхность планки 5; 8 - коническое отверстие, в котором закреплен сенсор 4; 9 - выходной канал; 10 - побудитель расхода; 11 - блок обработки информации; 12 - частицы аэрозоля, принудительно осажденные на чувствительные поверхности сенсора 4, который связан с блоком обработки информации 11.

Устройство работает следующим образом. Отборник аэрозоля (1) забирает атмосферный воздух, содержащий аэрозоль, который под действием разрежения, создаваемого побудителем расхода (10), через ускоряющий канал (2) подается в измерительную камеру (3), откуда принудительно осаждаются на чувствительную поверхность полупроводникового кондуктометрического сенсора (4), закрепленного в коническом отверстии (8) плоской планки (5). Как только частицы аэрозоля осаждаются на чувствительную поверхность сенсора (4), молекулы аэрозоля вступают в реакцию с накопленным на поверхности сенсора (4) атмосферным кислородом, что приводит к изменению резистивных свойств сенсора (4) пропорционально количеству осаждаемого аэрозоля (12). Сигналы, получаемые от сенсора, пропорциональны массе осевших частиц аэрозоля, поступают в блок обработки информации (11).

Размещение сенсора (4) в районе точки торможения потока позволяет существенно увеличить его чувствительность к концентрации аэрозоля. Еще больше повысить чувствительность позволяет закрепление сенсора (4) в точке торможения потока - коническом отверстии (8) планки (5). Так как чувствительная поверхность полупроводникового кондуктометрического сенсора (4) существенно меньше, чем габариты его корпуса, то при классическом осаждении частиц аэрозоля лишь их незначительная часть попадет на его чувствительную поверхность. При расположении сенсора, как показано на фигуре, частицы аэрозоля осаждаются не на поверхность планки (5), а попадают в сужающийся канал (конусное отверстие в планке (5)), таким образом, увеличивая количество частиц, осаждаемых на поверхности чувствительного элемента сенсора (4). Благодаря отличительным особенностям выполнения устройства для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока, а именно, использования полупроводникового сенсора, чувствительность датчика аэрозоля повысилась в 5-10 раз. То, что сенсор закреплен в коническом отверстии планки, расположенной перпендикулярно потоку аэрозольных частиц, позволило повысить чувствительность еще в 1,5-2 раза. То, что площадь нижней части конического отверстия концентратора равна или меньше площади рабочей поверхности сенсора, позволяет проводить осаждение частиц только на чувствительную поверхность сенсора, что также повышает его чувствительность.

Список литературы

1. Патент США №5382341. Способ детектирования дыма (аэрозоля).

2. Патент РФ №2296975, 10.04.2007, МПК G01N 15/02. «Импактор».

3. Патент РФ №2219523, 20.12.2003, МПК G01N 15/02. «Устройство для измерения массы и счетной концентрации частиц в газовом потоке».

Изобретение относится к устройствам контроля состояния атмосферного воздуха и может быть использовано для мониторинга загрязнения окружающей среды, а также для контроля аварийных выбросов. Устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока содержит отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого в измерительной камере установлен сенсор с рабочей поверхностью, подключенный к блоку обработки информации, а измерительная камера соединена с отборником воздуха. При этом измерительная камера снабжена планкой для торможения потока частиц, а сенсор снабжен концентратором, выполненным в виде конического отверстия в планке, расположенной перпендикулярно потоку, и выполнен из полупроводника, меняющего свои резистивные свойства пропорционально количеству осаждаемого аэрозоля. Техническим результатом является повышение точности измерений концентрации аэрозоля в режиме реального времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения количества принудительно осаждаемых частиц аэрозоля в точке торможения потока, содержащее отборник аэрозоля, ускоряющий канал, на выходе которого в измерительной камере установлен сенсор с чувствительной поверхностью, электрически подключенный к блоку обработки информации, а измерительная камера снабжена плоской планкой с верхней и нижней поверхностями и соединена с отборником воздуха, отличающееся тем, что планка имеет коническое отверстие, направленное к сенсору, закрепленному в нем, причем верхняя поверхность планки и чувствительная поверхность сенсора предназначены для принудительного осаждения аэрозоля, а сенсор выполнен из полупроводника, меняющего свои резистивные свойства пропорционально количеству осаждаемого аэрозоля.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что площадь нижней части конического отверстия равна или меньше площади рабочей поверхности сенсора.