Стационарная потоковая камера для отбора газов на границе вода-атмосфера Российский патент 2023 года по МПК G01N1/22 G01N33/18 

Изобретение относится к области экспедиционного оборудования для отбора газов, выделяемых с поверхности жидкости, и может быть использовано в газогеохимии, геохимии, гидрохимии, микробиологии, гидробиологии, геоэкологии при поведении мониторинговых исследований как на суше, так и на морских и пресноводных акваториях.

Существует много разнообразных решений для отбора газа на границе земля-воздух с использованием косвенных, лабораторных и прямых измерений. Последние являются наиболее точными для измерения уровней выбросов газа и осуществляются, как правило, с использованием потоковых камер (ПК), позволяющих проводить измерения концентрации газов с течением времени.

Типичная ПК представляет собой основание, как правило, цилиндрическое, устанавливаемое на исследуемой поверхности, с наложенной на него крышкой /куполом, образующим воздушную камеру. Существуют и другие модификации конструкций, однако для каждой из них наиболее важными факторами являются конструкция крышки, материалы, геометрия, размер и объем воздушной камеры. Важным является и аспект стационарности ПК, а также возможность периодичного отбора проб.

Например, известна ПК для измерения потока CO2 на пастбищах, включающая последовательно соединенные воздушную камеру трапециевидной формы, нижняя часть которой снабжена кольцом, установленным на основании ПК в виде цилиндра для постановки на изучаемую поверхность. Верхняя крышка воздушной камеры снабжена воздухозаборником и выходом для воздуха, а боковая стенка - датчиком температуры. (CN № 201429595 Y)

Известна ПК для сбора свалочных газов на полигоне, выполненная в виде цилиндра, в крышке которого установлены выходные клапаны, соединенные в одну магистраль, через которую осуществляется отбор пробы, и входной клапан, через который из баллона поступает чистый, сухой продувочный воздух, смешивается с газами, выходящими с поверхности, и транспортирует эти газы через выходной клапан. Устройство содержит также термометры для измерения температуры воздуха внутри камеры, термометр для измерения температуры почвы под камерой, датчик давления внутри камеры. Концентрации выделяющихся представляющих интерес веществ измеряются в выходящем газе, которые затем используются для расчета интенсивности выбросов каждого вида. (D. Reinhart et al., «Flux Chamber Design and Operation for the Measurement of Municipal Solid Waste Landfill Gas Emission Rates» ISSN 1047-3289 J. Air Waste Manage. Assoc. 42:1067-1070, 1992).

Однако такая конструкция ПК занижает фактические показатели выбросов из-за искусственно нагнетаемого воздуха, а необходимость использования дополнительного элемента - баллона с чистым воздухом для продувки камеры - ограничивает время отбора проб. Камера не обеспечивает накопление исследуемого газа и предполагает постоянную работу оператора с ней.

Известна потоковая камера в виде плоского ящика без дна, включающего воздухозаборник, основной корпус, разделенный на две секции перегородкой, пять вентиляторов, аэродинамических кромок внутренней поверхности камеры, выпускного воздушного клапана, расположенного в боковой снетке ПК, и впускного воздушного клапана, расположенного в верхней части ПК. Благодаря конструкции, использующей вентиляторы, разделительную пластину и аэродинамические элементы, атмосферный воздух через впускной клапан подается параллельно и равномерно по всей поверхности почвы. Часть воздуха, проходящего внутри камеры, отбирается через выпускной клапан. Скорость воздуха внутри камеры регулируется частотой вращения вентилятора и расходом подаваемого через впускной клапан воздуха. Таким образом, из конструкции убирается баллон с газом-носителем, однако, при работе с данной ПК все-таки используется газ-носитель - атмосферный воздух - что, несомненно, ведет к увеличению погрешности измерений, а также вызывает необходимость дополнительно анализировать состав подаваемого атмосферного воздуха. ПК работает при циркуляции воздуха в пространстве под камерой, однако, такая конструкция подразумевает применение вентиляторов и требует наличия источника питания. (Atmospheric Pollutant and Trace Gas Design and Performance of a Dynamic Gas Flux Chamber Rivka Reichman, Dennis E. Rolston (https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2134/jeq2002.1774)

Известна потоковая камера Onose-8®, которая состоит из полусферы без дна, и камеры без верхней крышки, установленной внутри полусферы, которую устанавливают непосредственно на источнике для сбора выбросов газов, выходящих с поверхности. При этом в нижней части камеры расположен впускной клапан, по которому выделяющиеся с поверхности почвы газы, поступают в камеру. В верхней части полусферы расположен выпускной клапан для отбора проб и выпускное отверстие для сброса избыточного давления. В нижней части боковой стенки полусферы расположен впускной клапан для подачи газа-носителя, соединенный с трубчатой магистралью, располагаемой по периметру внутренней части камеры параллельно нижнему основанию камеры, при этом в магистрали предусмотрены отверстия для подачи газа-носителя в камеру таким образом, чтобы создать турбулентную циркуляцию внутри камеры. Чтобы создать такой турбулентный поток воздуха, ПК должна быть подсоединена к источнику очищенного воздуха с помощью впускного клапана. Далее расчет проводится на основе анализа разности концентрации газа-носителя в камере и исходного. (https://onose.ca/work/flux-chamber/?lang=en)

Использование подобной ПК позволяет отбирать пробы газов из локального источника без нарушения поверхности эмиссии. Однако подобные устройства требуют подачи газа-носителя. Конструкторам удалость обеспечить циркуляцию внутри камеры за счет подачи газа-носителя специфическим образом и отказаться от использования вентиляторов. При этом решение проблемы избыточного давления в виде выпускного отверстия, очевидно, приведет к потере значительного количества отобранного газа и отразится на корректности результатов.

Известна ПК для мониторинга и отбора проб почвенного газа содержащая: корпус, включающий внутреннюю полость для сбора почвенного газа и имеющий герметичное уплотнение, клапан для подачи сжатого инертного газа в указанную внутреннюю полость, поступающую от внешнего источника сжатого инертного газа, множество отверстий, предусмотренных в указанном корпусе, как для впуска инертного газа через указанную трубу, так и для выпуска избыточного инертного газа и/или для контроля параметров при контроле и/или для отбора проб контрольного газа, собранного в указанной полости (EP № 3346253 A1)

Известна ПК для границы вода-атмосфера, воздушная камера которой выполнена в виде сплюснутой полусферы, снабженной плавучим основанием, расположенным по внешнему периметру камеры. С противоположных сторон в нижней части камеры над зеркалом воды установлен впускной клапан для уравновешивания внутреннего давления путем подачи в камеру атмосферного воздуха и выпускной клапан для отбора проб. Кроме того, в верхней части камера оснащена воздушным насосом, таймером и аккумулятором для вентиляции камеры. Проблема избыточного давления воздуха внутри камеры решена путем добавления элементов конструкции, что делает устройство чрезмерно сложным и снижает его автономность. (Kenneth Thorø Martinsen and etc . Technical note: A simple and cost-efficient automated floating chamber for continuous measurements of carbon dioxide gas flux on lakes. Biogeosciences, 15, 5565-5573, 2018; https://doi.org/10.5194/bg-15-5565-2018).

Все описанные выше ПК имеют сложную конструкцию, оснащены дополнительным оборудованием, предполагают использование газа-носителя (во внешнем баллоне, либо атмосферного воздуха), что делает их автономное использование на акваториях затруднительным. Проблема сброса избыточного давления решена способом сброса газов из камеры в атмосферу. Использование газа-носителя и сброса избыточного давления в атмосферу приводит к усложнению конструкции, отсутствию автономности, а контакт с атмосферой повышает погрешность измерений. Как правило, конструкция камер в большинстве случаев предполагает их использование на границе либо земля - воздух либо вода - воздух, при этом последних значительно меньше.

Известна потоковая камера, относящаяся к аппаратуре экологического мониторинга окружающей среды, в частности, к ПК газа на границе вода-воздух, рассматриваемая нами как наиболее близкая по технической сущности к заявляемому решению (п. CN № 202057528U). ПК состоит из газовой камеры трапециевидной формы и основания газовой камеры в виде прямоугольного параллелепипеда, соединенных последовательно, крышка газовой камеры снабжена впускным и выпускным воздушными клапанами. В верхней части камеры установлены система сбора газа, рукоятка, датчик температуры и система уравнивания давления. Камера снабжена вентилятором для равномерного перемешивания газа в боксе. Данная камера также предполагает использование газа-носителя. Конструкция камеры обеспечивает небольшой объем устройства, легкий вес и удобство переноски, короткое время сбора газа, равномерное смешивание газа-носителя с газом на границе вода-воздух, снижая погрешность последующих измерений. Однако наличие вентилятора, предполагающего использования элемента питания, а также применение газа-носителя чрезмерно усложняет конструкцию и не предполагает использования её на границе земля-воздух.

Предлагаемое решение направлено на расширение ассортимента универсальных устройств отбора потока газов на границе вода-атмосфера.

Проблема решается заявляемой конструкцией потоковой камеры, снабженной плавучим основанием с креплением для якоря и воздушной камерой, выполненной из двух соосно установленных друг на друга и герметично соединенных между собой резьбовым переходником камер: нижней, в виде купола с открытым основанием, и верхней, выполненной в виде биконуса или бипирамиды с усеченными вершинами, снабженной в верхней части съемными крышкой и герметичным эластичным уплотнителем, а также шарообразной пробкой, обладающей положительной плавучестью, заборной для газа и сливной трубками, при этом вход и выход заборной трубки расположены с зазорами между основаниями герметичного эластичного уплотнителя и резьбового переходника, вход сливной трубки находится на поверхности резьбового переходника, а окончание расположено вне корпуса потоковой камеры и оборудовано капельницей с регулятором скорости потока, при этом диаметр шарообразной пробки превышает диаметр входного отверстия сливной трубки.

Предлагаемая конструкция устройства является полностью замкнутой, что исключает контакт содержимого ПК с атмосферой и тем самым значительно снижает погрешность измерений, решает проблему сброса избыточного давления. Входное отверстие сливной трубки может быть оборудовано металлическим кольцом, а шарообразная пробка содержать в своем теле магнит, что повысит надежность фиксации пробки на входном отверстии сливной трубки. Отсутствие элементов питания делает камеру полностью автономной, благодаря чему возможно задать любой необходимый временной интервал для отбора проб потока газов, рассчитав и установив необходимый режим работы капельницы.

Основное назначение камеры – отбор газа легче воздуха, выделяющегося на границе вода-воздух, в частности, метана, который неизбежно будет аккумулироваться в верхней части устройства. Однако, устройство с некоторыми конструкторскими доработками может использоваться и для других газов, а также на границе земля-воздух. Уплотнение может быть выполнено из любых эластичных материалов, обеспечивающих герметичность, например, натуральных или синтетических резин или пластмасс.

На фиг. изображена одна из возможных схем заявляемого устройства для водной поверхности, где: 1 – верхняя камера для сбора газов, 2 – нижняя камера, 3 – резьбовой переходник, 4 – заборная воздушная трубка, 5 – сливная трубка, 6 – капельница с регулятором скорости, 7 – съемное герметичное эластичное уплотнение, 8 – крышка, 9 – пробка для сливной трубки 5, 10 – плавучее основание, 11 – крепежные кольца.

Сбор и работа устройства.

Устройство может быть изготовлено из стекла, либо инертного пластика, либо металла.

Устройство состоит из камеры 1, герметичным переходником 3 соединенной с камерой 2, которая может быть выполнена в виде сферы или пирамиды. Через переходник 3 вертикально проходят герметично установленные заборная трубка 4 и сливная трубка 5. Верх и низ заборной трубки 4 открыты и расположены, соответственно, с зазорами между нижними поверхностями уплотнителя 7 и переходника 3. Верхнее окончание сливной трубки 5 располагается на поверхности переходника 3, а её окончание выходит наружу потоковой камеры из боковой части переходника 3 и оснащено капельницей 6 с регулятором скорости. Крышка 8 закрывает резиновое уплотнение 7. Пробка 9 выполнена в форме шара и обладает плотностью, обеспечивающей ее плавучесть в 30% солевом растворе, а ее размер превышает внутренний диаметр сливной трубки 5. Места соединения элементов 1-2, 3-4 3-5 герметичны. На внешнем периметре купола 2 установлено плавучее основание 10, выполненное с возможностью вертикального перемещения. При постановке на объект основание 10 устанавливают так, чтобы нижняя часть купола 2 была погружена в воду. Крепежные кольца 11, устанавливаются по периметру плавучего основания 10 с равным шагом для крепления устройства к якорю. В зависимости от задач, в качестве капельницы могут быть использованы, например, медицинские системы переливания, включающие регулятор скорости и капельную камеру.

В начале работы камеру 1 заполняют препятствующим растворению газов 30% солевым раствором, оставляя открытым верх заборной трубки 4. Устройство размещают в точке исследования. Плавучее основание 10, оборудованное якорями, обеспечивает устойчивое положение устройства. Открывают капельницу 6 и через трубку 5 солевой раствор начинает выливаться из камеры 1, одновременно с этим через трубку 4 находящийся под куполом газ поступает в верхнюю часть камеры 1, заполняя освободившийся вылившемся солевым раствором объем и не смешиваясь с ним. Скорость наполнения газом камеры 1 будет напрямую зависит от скорости слива солевого раствора через трубку 5 и может быть настроена регулятором капельницы 6. По мере того, как солевой раствор выливается, а отобранный газ через трубку 4 заполняет камеру 1, пробка 9 опускается вниз и закрывает входное отверстие сливной трубки 5 после того, как практически весь солевой раствор покинул камеру 1. Таким образом циркуляция в камере 1 будет остановлена, а оставшийся на дне камеры 1 солевой раствор будет препятствовать попаданию внешнего атмосферного воздуха через сливную трубку 5 и таким образом выполнять функцию гидрозатвора. По окончании отбора газов и их аккумуляции в камере 1, демонтируют крышку 8 и при помощи иголки шприца протыкают резиновое уплотнение 7 и отбирает пробу газа. В зависимости от необходимого временного интервала отбора проб камера 1 может иметь различный объем. Время сбора газов в камере 1 также может быть настроено при помощи капельницы 6, что позволяет устройство автономно установить в точке исследования и осуществлять отбор газов в заданный временной промежуток.

Предложенное устройство для отбора проб газа отличается своей универсальностью, простотой как использования, так и конструкции, полностью предотвращает контакт с внешней атмосферой, что является необходимым условием для отбора проб газа при проведении газогеохимических, химических, микробиологических анализов, мониторинга изменений окружающей среды на морских и пресноводных акваториях. Применение принципа равновесных концентраций сохраняет давление внутри устройства постоянным. Использование сменных насадок-капельниц для сливной трубки позволяет задать необходимый временной интервал пробоотбора. Кроме того, камера 1 и камера 2 могут быть различного размера, в зависимости от необходимого времени сбора газов. Простота исполнения предложенного устройства и возможность задавать временной интервал позволяют разместить сеть подобных устройств на исследуемой акватории.

Изобретение относится к экспедиционному оборудованию для отбора газов, выделяемых с поверхности жидкости, в области газогеохимии, геохимии, гидрохимии и т.д. Стационарная потоковая камера для отбора газов на границе вода-атмосфера включает плавучее основание с креплением для якоря и воздушную камеру, выполненную из двух соосно установленных и герметично соединенных резьбовым переходником камер: нижней, в виде купола с открытым основанием, и верхней, в виде биконуса или бипирамиды с усеченными вершинами, снабженной в верхней части съемными крышкой и герметичным эластичным уплотнителем, шарообразной пробкой с положительной плавучестью относительно 30% соляного раствора, двумя трубками - заборной для газа и сливной. Вход и выход заборной трубки расположены с зазорами между основанием герметичного эластичного уплотнителя и основанием резьбового переходника, вход сливной трубки находится на поверхности резьбового переходника, а её окончание расположено вне корпуса потоковой камеры и оборудовано капельницей с регулятором скорости потока, диаметр шарообразной пробки превышает диаметр входного отверстия сливной трубки. Технический результат – создание автономной потоковой камеры для отбора газа на границе вода-атмосфера, снижение погрешности измерений. 1 ил.

Стационарная потоковая камера для отбора газов на границе вода-атмосфера, включающая плавучее основание с креплением для якоря и воздушную камеру, выполненную из двух соосно установленных друг на друга и герметично соединенных между собой резьбовым переходником камер: нижней, в виде купола с открытым основанием, и верхней, выполненной в виде биконуса или бипирамиды с усеченными вершинами, снабженной в верхней части съемными крышкой и герметичным эластичным уплотнителем, а также шарообразной пробкой, обладающей положительной плавучестью относительно 30% соляного раствора, двумя трубками - заборной для газа и сливной, при этом вход и выход заборной трубки расположены с зазорами между основанием герметичного эластичного уплотнителя и основанием резьбового переходника, вход сливной трубки находится на поверхности резьбового переходника, а её окончание расположено вне корпуса потоковой камеры и оборудовано капельницей с регулятором скорости потока, при этом диаметр шарообразной пробки превышает диаметр входного отверстия сливной трубки.