Система отбора пробы атмосферного воздуха для автоматизированного контроля качества воздуха Российский патент 2023 года по МПК G01N1/26 

Настоящее изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно организации системы пробоотбора атмосферного воздуха населенных мест на требуемой высоте / диапазоне высот с целью непрерывной регистрации концентрации загрязняющих веществ.

Известны устройства отбора проб для регистрации узкого спектра химических веществ.

Известно пробоотборное устройство на основе фермента уреазы предназначено для регистрации паров ртути (Патент РФ №2022266 «Способ обнаружения паров ртути в воздухе», опубл. 30.10.1994).

Известно пробоотборное устройство с использованием пьезокварцевого резонатора, электроды которого предварительно модифицированы ацетоновым раствором сорбента полиэтиленгликоль адипината предназначено для регистрации паров уксусной кислоты в воздухе (Патент РФ №2263908 «Способ определения паров уксусной кислоты в воздухе рабочей зоны», опубл. 10.11.2005, Бюл. №31).

Недостатком устройств является регистрация отдельных химических веществ.

Известно устройство пробоотбора паров углеводородов для геохимической съемки, состоящее из контейнеров с трубчатыми концентраторами, содержащих сорбирующий материал (Патент РФ №81344 «Устройство пробоотбора паров углеводородов», опубл. 10.03.2009). Устройство подходит для полевых испытаний.

Известно устройство пробоотбора и носитель для отбора пробы сверхмалых количеств органических веществ для приборов спектрометрии ионной подвижности (Патент РФ №208060 «Устройство пробоотбора и носитель для отбора пробы сверхмалых количеств органических веществ» опубл. 01.12.2021, бюл. №34).

Пробоотборные устройства предназначены только для регистрации органических веществ, а именно используются совместно с хроматографафами. Устройства не работают с иными видами газоанализаторов.

Известно устройство для отбора проб как воздуха, так и жидкости, состоящее из осевой трубы, подключенной к средству побуждения потока среды, двух промежуточных и одной внешней трубок (Патент РФ №2107289 «Установка для отбора проб», опубл. 20.03.1998). Устройство предназначено для газовой и жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

Недостатком всех рассмотренных устройств является точечный отбор пробы, не позволяющий получить адекватную оценку концентрации загрязняющих веществ на различной высоте атмосферного воздуха.

Технической проблемой изобретения является создание системы отбора пробы атмосферного воздуха на требуемой высоте и диапазоне высот для автоматизированного контроля качества воздуха населенных мест.

Предлагаемое изобретение решает следующие технические задачи: 1) моментный/ непрерывный отбор пробы с целью получения репрезентативной оценки качества атмосферного воздуха населенных мест на требуемой высоте; 2) непрерывный отбор проб с нескольких точек, расположенных на различных высотах атмосферного воздуха, и расчет средней концентрации газа в диапазоне высот.

Поставленная задача достигается тем, что система отбора пробы атмосферного воздуха для автоматизированного контроля качества воздуха предполагает установку на зданиях и представляет собой сложный трубопровод, подключенный к информационной системе, осуществляющей управление процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе, и состоит из центральной магистрали и трубопроводов-ответвлений, с установленными управляемыми клапанами.

В техническом решении применена технология равновзвешенного компаундирования атмосферного воздуха, которая заключается в смешивании потоков воздуха, поступающего со сложного трубопровода.

На фигуре представлена разработанная система пробоотбора.

Разработанная система пробоотбора основана на сложной разветвленной трубопроводной сети. Система предполагает установку на зданиях.

Состоит из главной магистрали и трубопроводов-ответвлений.

Главная магистраль представляет собой трубопровод 0 постоянного диаметра 6-8 мм. Длина трубопровода 0 определяется высотой здания, на которой он установлен и программой мониторинга. От трубопровода 0 отходят трубопроводы-ответвления 1₁, 1₂,…1_n диаметром 6-8 мм. Верх трубопровода 0 запаян. Расстояние между трубопроводами-ответвлениями 1₁, 1₂, … 1_n и их количество определяется программой мониторинга, расстоянием между этажами и высотой здания.

На каждом из трубопроводов-ответвлений 1₁, 1₂, …1_n установлен клапан 2₁, 2₂, …, 2_n с электроприводом. Внизу трубопровода 0 установлены побудитель 3 расхода (насос), информационная система 4 управления процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе, содержащая комплекс приборов контроля, состоящий из m газоанализаторов 5₁, 5₂, …, 5_m, системы диспетчерского контроля и управления, базы данных.

В стационарном режиме система отбора пробы атмосферного воздуха осуществляет пробоотбор воздуха на требуемой высоте. В этом режиме открыт один клапан 2_s на заданной высоте S. Остальные клапаны являются закрытыми.

При внештатном режиме осуществляется поэтапное открытие клапанов от 2₁ до 2_n и замер концентрации веществ на каждой высоте. В информационной системе 4 обязательным является регистрация наименования клапана, из которого осуществляется забор материала, и значение концентрации газа.

При замере концентрации газа на требуемой высоте k система пробоотбора работает следующим образом. Открывается клапан 2_k. Закрываются клапаны 2₁, …, 2_k-1, 2_k+1, …, 2_n. Забор воздуха из системы обеспечивается работой побудителя 3 расхода. В результате, через требуемое открытое ответвление 1_k, посредством открытого клапана 2_k, в трубопровод 0 поступает воздух. Смесь газов побудителем 3 расхода нагнетается к газоанализаторам 5₁, 5₂, …, 5_m и осуществляется замер и регистрация концентрации химических веществ. Делается запись в базе данных. Управление клапанами 2₁, 2₂ … 2_n осуществляется из информационной системы 4.

Для получения среднего значения концентрации газа на высоте от h до Н требуется выполнить настройку системы пробоотбора. Установить перечень клапанов 2₀, …, 2_h-1, 2_H+1, …, 2_n, которые требуется закрыть. Установить перечень клапанов 2_h, … 2_Н, которые требуется открыть. Необходимо провести расчет процентного открытия клапанов 2_h, … 2_Н. Регулирование открытия клапанов требуется в связи с действием аэродинамического сопротивления, значение которого повышается при увеличении длины (диаметр трубопроводов является постоянным):

где R - аэродинамическое сопротивление, кг⋅с²/м⁸;

L - длина трубопровода, м;

d - диаметр трубопровода, м;

α - коэффициент аэродинамического сопротивления, кг⋅с²/м⁴.

Например, если программой мониторинга установлена необходимость получения средней концентрации вещества в диапазоне высот, соответствующем 5 клапанам, расположенным на равном расстоянии между собой, то клапан 2₁ требуется открыть на 20%, 2₂ - 40%, …, 2₅ - 100%.

При установлении режима работы системы на получение средней концентрации газа в диапазоне высот h … Н пробоотбор осуществляется следующим образом. При работе побудителя 3 расхода осуществляется забор воздуха со всех трубопроводов-ответвлений 1_h, 1₂ … 1_H, соответствующих открытым клапанам 2_h, … 2_H. Благодаря равновзвешенному компаундированию воздушной смеси, на выходе побудителя 3 расхода получаем средневзвешенную пробу воздуха по высоте h до Н. Полученное значение регистрируется в базе данных информационной системы.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно организации системы пробоотбора атмосферного воздуха с целью непрерывной регистрации концентрации загрязняющих веществ на требуемой высоте, получения средней концентрации газов в диапазоне высот. Система отбора пробы атмосферного воздуха для автоматизированного контроля качества воздуха установлена на здании и представляет собой трубопровод. Трубопровод подключен к информационной системе управления процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе, осуществляющей управление процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе. Трубопровод состоит из центральной магистрали и расположенных на различных высотах трубопроводов-ответвлений с установленными управляемыми клапанами, процентное открытие каждого из которых регулируется системой управления в соответствии со значением аэродинамического сопротивления на высоте соответствующего клапана. 1 ил.

Система отбора пробы атмосферного воздуха для автоматизированного контроля качества воздуха, установленная на здании и представляющая собой трубопровод, подключенный к информационной системе управления процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе, осуществляющей управление процессом регистрации концентрации веществ в атмосферном воздухе, причем трубопровод состоит из центральной магистрали и расположенных на различных высотах трубопроводов-ответвлений с установленными управляемыми клапанами, процентное открытие каждого из которых регулируется системой управления в соответствии со значением аэродинамического сопротивления на высоте соответствующего клапана.