ВИРТУАЛЬНЫЙ ИМПАКТОР Российский патент 2020 года по МПК G01N1/26 

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к устройствам для отбора проб аэрозолей из воздушной среды для последующего физико-химического или микробиологического анализа.

Известно решение RU 63539 U1 “Устройство для отбора проб аэрозолей”, МПК G01N 27/00, содержащее цилиндрический корпус, фильтр, расходомер, регулятор расхода с разделением потока и побудитель расхода. При этом регулятор расхода установлен на входе устройства перед фильтром, а выход расходомера через блок управления связан с побудителем расхода. В процессе работы через аэрозольный фильтр просасывается только требуемая часть воздуха, прокачиваемого побудителем расхода, а другая часть воздуха проходит через регулируемое отверстие в корпусе устройства. Расходомер измеряет только расход воздуха, проходящий через фильтр. При прохождении необходимого объема воздуха блок управления дает команду на выключение побудителя расхода воздуха, после чего фильтр отправляют на анализ.

Недостатком этого технического решения является то, что с помощью устройства для отбора проб аэрозолей получают не полную информацию о состоянии контролируемой среды, так как в нем, не происходит разделение частиц аэрозоля за счет сорбции двумя элюаторами для крупных и мелких частиц. (RU 63539 U1, http://new.fips.ru).

Известно решение RU 2089870 C1 “Устройство для отбора проб аэрозолей”, МПК G01N 1/22, содержащее цилиндрический корпус (ЦК), установленный на входе в ЦК фильтродержатель с фильтром, побудитель расхода, расходомер и регулятор расхода. Последний установлен за расходомером и выполнен в виде втулки с отверстием, установленной с возможностью поворота на ЦК. В месте установки втулки на ЦК выполнено отверстие, соответствующее отверстию во втулке. Расходомер установлен в ЦК за фильтродержателем.

Недостатком этого технического решения является то, что из-за большого количества конструктивных узлов устройство имеет большую массу, это негативно сказывается на характеристике полета беспилотного летательного аппарата (БЛА). (RU 2089870 C1, http://new.fips.ru).

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является решение SU 1096526 A1 “Устройство для отбора проб аэрозоля”, МПК G01N 1/22, содержащее фильтродержатель с фильтром, установленный в корпусе, фильтродержатель с фильтром установлен соосно относительно корпуса, при этом нижняя часть корпуса снабжена раструбом, верхняя выполнена в виде цилиндра, а фильтродержатель в виде усеченного конуса, причем фильтр расположен в плоскости сопряжения цилиндра и раструба корпуса, а корпус и фильтродержатель выполнены с наружной поверхностью, покрытой пленкой, поглощающей тепловую радиацию.

Недостатком этого технического решения является то, что при высокой линейной скорости потока воздуха внутри корпуса устройства возможен прорыв фильтра, который установлен в верхней плоскости фильтродержателя, что приведет к потерям взятой аэрозольной пробы. Кроме того, структура вращающегося воздушного потока внутри прибора не позволяет получить высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц из потока воздуха. (SU 1096526 A1, http://new.fips.ru).

Сущность изобретения

Задача, на которую направлено заявленное решение, это повышение эффективности улавливания аэрозолей за счет сорбции частиц двумя подложками с фильтрами для крупных и мелких частиц, создание простой и легкой конструкции виртуального импактора, которая не требует для своей работы энергозатрат и позволяет размещать устройство на беспилотном летательном аппарате (БПЛА).

Импактор имеет составной корпус фиг. 1, включающий входную секцию (1) фиг. 1, среднюю секцию (2), выходную секцию (3). Средняя секция является соединительной базой для входной (1) и выходной (3) секций. Входная (1) и выходная (3) секции по соединительному контуру имеют внешнюю резьбу, а средняя секция (2) по соединительным контурам имеет внутреннюю резьбу фиг. 2. За счет чего осуществляется резьбовое соединение между секциями.

Входная секция (1) фиг. 2 выполнена на основе конуса, что повышает обтекаемость и уменьшает сопротивление движению устройства на встречу воздушному потоку.

Входная секция (1) внутри имеет заборный канал (1.1) фиг. 2, сопло (1.2), фракционирующий каскад для крупных частиц (1.3).

Заборный канал (1.1) фиг. 2 входной секции (1) имеет круглое сечение и расположен соосно с продольной осью секции (1).

Ускоряющее сопло (1.2) выполнено на основе диска и сопряжено с корпусом входной секции (1) фиг. 2.

Средняя секция (2) фиг. 1, 2 выполнена на основе цилиндра с внутренним конструкционным пространством, в котором со стороны входной секции имеет подложку отбойника крупных частиц (2.1), фильтр отбойника крупных частиц (2.1.1), и за подложкой с фильтром ускоряющее сопло (2.2).

Ускоряющее сопло (2.2) выполнено на основе диска и сопряжено с корпусом средней секции (2) фиг. 2.

Подложка отбойника крупных частиц (более 10 мкм) (2.1) фиг. 2, 3 включает круглое основание с углублением для фильтра крупных частиц (2.1.1), сопряженное с крестовиной, обратные концы (2.1.2) которой устанавливаются в канавки во внутреннюю поверхностью средней секции (2) фиг. 2.

Подложка отбойника крупных частиц (2.1) фиг. 2 направлена углублением для фильтра крупных частиц в сторону сопла (1.2). В углубление основания (2.1) фиг. 2, 3 установлен фильтр крупных частиц (2.1.1).

Выходная секция (3) фиг. 1, 2 включает стакан (3.2) фиг. 2 представляющий собой полую деталь, повторяющую контуры стенок рабочего фракционирующего каскада для мелких частиц (3.3).

Стакан (3.2) фиг. 2 установлен в конструкционном пространстве фракционирующего каскада для мелких частиц (3.3) таким образом, что между стенками стакана (3.2) и фракционирующего каскада для мелких частиц (3.3) остается пространство для движения воздуха. Стакан (3.2) на выходном конце сопряжен с сетчатой конструкцией (3.2.1).

Установка стакана во выходную секцию (3) фиг. 1, 2 осуществлена за счет сетчатой конструкции (3.2.1) сопряженной с выходным отверстием (3.4) выходной секции (3).

В конструкционном пространстве стакана (3.2) фиг. 2 со стороны средней секции (2) фиг. 1 в канавках установлена подложка отбойника мелких частиц (3.1) (менее 10 мкм), которая направлена углублением для фильтра мелких частиц (3.1.1) в сторону ускоряющего сопла (2.2) средней секции.

Подложка отбойника мелких частиц (3.1) включает круглое основание с углублением для фильтра мелких частиц (3.1.1), сопряженное с крестовиной, обратные концы (3.1.2) которой устанавливаются в канавки во внутреннюю поверхность стакана (3.2) фиг. 2.

Фильтр крупных частиц (2.1.1) и мелких частиц (3.1.1) представляет собой фильтр АФА - ВП - 20 смоченный глицерином в качестве элюирующей жидкости.

Импактор и его конструктивные элементы выполнены из полимерного материала.

Технический результат заключается в улучшении технических характеристик устройства для отбора проб аэрозолей путем создания простой и легкой конструкции виртуального импактора, которая не требует для своей работы энергозатрат и позволяет размещать устройство на беспилотном летательном аппарате (БПЛА), в повышении эффективности улавливания аэрозолей за счет сорбции частиц двумя подложками с фильтрами для крупных и мелких частиц и достоверности информации о состоянии контролируемой среды.

Краткое описание чертежей:

на фиг. 1 - схематичное изображение виртуального импактора. Общий вид;

на фиг. 2 - схематичное изображение виртуального импактора. Продольный разрез;

на фиг. 3 - схематичное изображение подложки отбойника крупных частиц. Общий вид;

на фиг. 4 - схематичное изображение подложки отбойника мелких частиц. Общий вид;

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - входная секция;

1.1 - заборный канал;

1.2 - сопло;

1.3 - рабочий фракционирующий каскад для крупных частиц;

2 - средняя секция;

2.1 - подложка отбойника крупных частиц;

2.1.1 - фильтр отбойника крупных частиц;

2.1.2 - конец крестовины;

2.2 - ускоряющее сопло;

3 - выходная секция;

3.1 - подложка отбойника мелких частиц (менее 10 мкм);

3.1.1 - фильтр отбойника мелких частиц (менее 10 мкм);

3.1.2 – конец крестовины;

3.2 - стакан;

3.2.1 - сетчатая конструкция;

3.3 - рабочий фракционирующий каскад для мелких частиц;

3.4 - выходное отверстие;

Осуществление заявленного решения:

Виртуальный импактор, предназначен для отбора проб биологических аэрозолей из воздушной среды для последующего анализа, направленного на установление вида биологичекого поражающего агента.

Данное пробоотбирающее устройство размещают на беспилотном летательном аппарате (БПЛА). Забор воздуха в пробоотбирающее устройство производится при помощи набегающего потока воздуха, который создается при движении БПЛА.

Аспирация аэрозоля происходит вследствие набегающего потока воздуха, возникающего в результате полета БПЛА по горизонтальной траектории. Скорость набегающего потока находится в интервале от 20 до 200 л/мин. Аэрозоль поступает в виде осевой струи во входную секцию (1) фиг. 1, 2 через заборный канал (1.1) фиг. 2 и попадает в рабочий фракционирующий каскад для крупных частиц (1.3), который разделяет струю аэрозоля на две составляющие: осевую и радиальную. Затем аэрозольный поток встречается с фильтром отбойника крупных частиц (более 10 мкм) (2.1.1), который установлен в углублении основания подложки отбойника крупных частиц (более 10 мкм) (2.1) фиг. 2, 3. На волокнистой поверхности фильтра отбойника крупных частиц (более 10 мкм) (2.1.1) фиг. 2, который представляет собой фильтр АФА - ВП - 20 смоченный глицерином в качестве элюирующей жидкости, происходит инерционное импактирование аэрозольных частиц размером более 10 микрометров.

Отраженный от фильтра отбойника крупных частиц (более 10 мкм) (2.1.1) веерообразный аэрозольный поток, содержащий, в основном, частицы размером менее 10 мкм, приобретает радиальную (по радиусу) направленность от оси к периферии (к стенкам входной секции (1) фиг. 1). Затем, внутри пространства этой секции (1) поток вновь изменяет радиальное направление, затягивается потоком набегающего воздуха в воронкообразную часть секции и поступает в узел виртуального импактирования (среднюю секцию) (2).

В ускоряющем сопле 2.2 фиг. 2 аэрозоль фокусируется в осевую высокоскоростную струю, которая разделяется на две составляющие - осевую и радиальную в отношении 1:9 со скоростями воздушного потока 20 л/мин и 180 л/мин соответственно.

Основная масса частиц дисперсной фазы, приобретая на выходе из ускоряющего сопла (2.2) значительную инерцию, концентрируется в осевом потоке и, следуя в нем, поступает в рабочий фракционирующий каскад для мелких частиц (3.3), где импактирует в поверхность фильтра отбойника мелких частиц (менее 10 мкм) (3.1.1), который установлен в углублении основания подложки отбойника мелких частиц (менее 10 мкм) (3.1).

Одновременно с этим радиальная составляющая потока величиной 180 л/мин и содержащая незначительное количество аэрозольных частиц размером менее 1,5 мкм попадает во внутреннее пространство выходной секции (3) фиг. 1, где смешивается с воздушным потоком на выходе из рабочего фракционирующего каскада для мелких частиц (3.3) фиг. 2 и выбрасывается в атмосферу через выходное отверстие (3.4).

Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам для отбора проб аэрозолей из воздушной среды для последующего физико-химического или микробиологического анализа. Виртуальный импактор, включающий корпус, подложку для фильтра с фильтром, отличается тем, что корпус разделен на входную секцию, среднюю секцию, выходную секцию, входная и выходная секции по соединительному контуру имеют внешнюю резьбу, а средняя секция по соединительным контурам имеет внутреннюю резьбу, образуя резьбовое соединение между секциями; заборный канал входной секции на выходе имеет ускоряющее сопло; средняя секция во внутреннем пространстве со стороны входной секции имеет подложку для фильтра крупных частиц с фильтром, а за подложкой ускоряющее сопло; выходная секция во внутреннем пространстве включает стакан с пространством вокруг его стенок для движения воздуха; в конструкционном пространстве стакана со стороны средней секции в канавках установлена подложка отбойника мелких частиц, которая направлена углублением для фильтра с фильтром мелких частиц в сторону ускоряющего сопла средней секции; стакан на выходном конце сопряжен с сетчатой конструкцией. Технический результат - улучшение технических характеристик устройства для отбора проб аэрозолей и повышение эффективности улавливания аэрозолей и достоверности информации о состоянии контролируемой среды. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Виртуальный импактор, включающий корпус, подложку для фильтра с фильтром, отличающийся тем, что корпус разделен на входную секцию, среднюю секцию, выходную секцию, входная и выходная секции по соединительному контуру имеют внешнюю резьбу, а средняя секция по соединительным контурам имеет внутреннюю резьбу, образуя резьбовое соединение между секциями; заборный канал входной секции на выходе имеет ускоряющее сопло; средняя секция во внутреннем пространстве со стороны входной секции имеет подложку для фильтра крупных частиц с фильтром, а за подложкой ускоряющее сопло; выходная секция во внутреннем пространстве включает стакан с пространством вокруг его стенок для движения воздуха; в конструкционном пространстве стакана со стороны средней секции в канавках установлена подложка отбойника мелких частиц, которая направлена углублением для фильтра с фильтром мелких частиц в сторону ускоряющего сопла средней секции; стакан на выходном конце сопряжен с сетчатой конструкцией.

2. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что входная секция выполнена на основе конуса и включает в себя заборный канал, который имеет круглое сечение и расположен соосно с продольной осью секции.

3. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что ускоряющее сопло входной секции выполнено на основе диска и сопряжено с корпусом входной секции.

4. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что средняя секция выполнена на основе цилиндра.

5. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что ускоряющее сопло средней секции выполнено на основе диска и сопряжено с корпусом средней секции.

6. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что подложка отбойника крупных частиц включает круглое основание с углублением для фильтра крупных частиц, сопряженное с крестовиной, обратные концы которой устанавливаются в канавки во внутреннюю поверхность средней секции, и направлена углублением для фильтра крупных частиц в сторону сопла.

7. Импактор по п. 1, отличающийся тем, что подложка отбойника мелких частиц включает круглое основание с углублением для фильтра мелких частиц, сопряженное с крестовиной, обратные концы которой устанавливаются в канавки во внутреннюю поверхность стакана, и направлена углублением для фильтра мелких частиц в сторону средней секции.