Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01W1/02 

1

(21)4760964/10 (22)21.11.89 (46)23.09.92. Бюл. №35

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт молекулярной биологии Научно- производственного объединения Вектор

(72)Т.С.Бакиров, В.И.Бородулин, Г.А.Тен- син и А.С.Фролов

(56) А.И.Бородулин. Оценка статистических характеристик концентрации и дозы при моделировании распространения аэрозолей в приземном слое атмосферы Дисс, канд. техн. наук, специальность 03.00.23 Биотехнология. - Новосибирск, 1986. - с.183.

Y.lchikawa, H., S.Hishinomiya A Gaussian Trajectory Atmospheric Diffusion model for Complex Terrain J.Japan Soc. Air. Pollut. -21(2), p. 104-114(1980),

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ

АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: контроль за состоянием атмосферы; для оценки ореала распространения аэрозолей. Сущность изобретения: способ включает формирование теплового факела трассера, определение ширины факела трассера в разных его сечениях, измерение скорости перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии по соответствующей формуле Устройство содержит точечный формирователь факела трассера в виде нагревательного элемента, измеритель скорости распространения факела трассера в воздушном потоке и узлы измерения ширины факела трассера, включающие точечные и линейные датчики температуры, которые подсоединены к блоку питания и через цифровую или аналоговую систему обработки сигналов - к регистрирующему прибору. 5 ил.

сл С

Предлагаемые технические решения относятся к средствам и способам контроля за состоянием атмосферы и могут быть использованы для оценки ареала распространения мелкодисперсных аэрозолей и различных примесей в атмосфере, например, с целью оптимизации технологии обработки растений биологическими препаратами в аэрозольной форме.

Известен способ измерения коэффициента турбулентной диффузии (КТД), включающий дискретное измерение компонент скорости ветра в одной точке пространства в разные моменте времени (Эйлеров подход к решению задачи) и вычисление функции корреляции компонент пульсации скорости (V) ветра 1. Коэффициент турбулентной диффузии (К) определяют по формуле:

Т Т1

К 4/ / V (t) V (t +r)dtdr.(l)

о о

где V (t) V(t) - V - отклонение скорости ветра от его среднего значения в момент времени t ;

vft + т) V(t + т) - V - то же для момента времени t + г.

Т - общее время измерения.

Известно устройство для реализации описанного выше способа, которое включает акустический генератор, пьезодатчик, устройство для записи сигналов на магнитную ленту (магнитофон) и ЭВМ (1). С помощью акустического генератора и пьезодатчика через определенные промежутки времени измеряются компоненты скорости ветра и в цифровом коде записываются на магнитную ленту магнитофона. После накопления достаточно большого массива данных, последvi

Qs

N о

сЈ

ние передаются на ЭВМ, где вычисляется КТД по формуле (1).

Недостатком способа и устройства является низкая производительность из-за длительного измерения и накопления значений скорости ветра и последующего вычисления функции корреляции вследствие дискретного измерения скорости потока в одной точке пространства в разные моменты времени. По оценочным данным требуется от 103 до 8«103 значений скорости потока для вычисления одного значения КТД. Таким образом технические решения имеют низкую производительность т.к. не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой форме данных о величине КТД, например для принятия решения в полевых условиях о выборе оптимального режима авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того, устройство имеет сложную измерительную часть, которая ненадежна в эксплуатации в полевых условиях.

Наиболее близким способом-прототипом является способ измерения коэффициента турбулентной диффузии 2, включающий формирование следа трассера, определение ширины oi и Ог факела следа трассера в разных его сечениях, расположенных на расстоянии (Д) друг от друга перпендикулярно направлению перемещения следа трассера и вычисление КТД по формуле:

а- 02 - и

K V

(2)

2D

В качестве трассера используют радиоактивную газовую добавку.

Наиболее близким устройством-прототипом является устройство для измерения коэффициента турбулентной диффузии 2, включающее источник радиоактивной примеси, используемый в качестве трассера, измеритель ширины факела следа трассера, представляющий собой ряд пробоотборников еоздуха, установленных в нескольких точках в каждом сечении факела следа трассера, измеритель скорости потока и счетчик радиоактивного излучения для измерения концентрации радиоактивного излучения в указанных точках. Значения концентрации примеси в нескольких точках аппроксимируются по нормальному закону и затем вычисляется значение КТД по формуле 2.

Недостатком прототипов, как способа, так и устройства является недостаточная производительность вследствие необходимости измерения концентрации трассеров во многих точках в разных сечениях факела трассера, что требует длительного времени

измерения и накопления данных для вычисления КТД. Для вычисления одного КТД требуется 10 -104 значений концентрации трассера. Таким образом, технические ре5 шения имеют низкую производительность т.к. не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой форме данных о величине КТД, например, для принятия решения в полевых условиях о выборе оптимального режима

10 авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того, способ предусматривает использование разнородной по принципу действия аппаратуры и измеряемых физических величин, что

15 затрудняет возможность его автоматизации в полевых условиях.

Целью изобретения является повышение производительности определения КТД. Указанная цель достигается следующей

20 совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления. Способ определения КТД включает формирование факела трассера, определение ширины О факела трассера в двух его сечениях, рас25 положенных на расстоянии (Д) друг от друга перпендикулярно оси факела трассера, измерение скорости (V) перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии (К) по формуле:

В качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии. В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды АТл и ДТл, соответственно на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения:

.AT.L(3)

У2я

По сравнению с прототипом, новым в предлагаемом способе является то, что в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии. В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окру- 50 жающей среды АТЛ| и ATTJ, соответственно на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения: 1 АТЛ|

35

40

45

55

о

L

2л ДТп Устройство для определения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере включает точечный формирователь факела трассера, измеритель скорости

распространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные на измеренном расстоянии друг от друга, и блок регистрации и обработки. Формирователь трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой. Нагревательный элемент, точечные термо- метры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой.

Новыми по сравнению с прототипом яв- ляется следующие признаки устройства. Формирователь факела трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометра сопротивления, длина проволок которых равны между собой. Нагревательный элемент, точечные термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяжен- ные сопротивления расположены перпендикулярно к этой прямой.

Новые признаки способа и устройства обладают по сравнению с аналогами в области измерения КТД неизвестными ранее техническими свойствами, которые заключаются в обеспечении возможности использования такого трассера, измерение концентрации которого осуществляется однотипными приборами, позволяющими уп- ростить процесс автоматизации измерения КТД, а данные измерения КТД представить в аналоговой форме за счет усреднения изменения концентрации трассера в разных точках, сечений факела трассера.

На фиг. 1 изображена схема устройства для измерения КТД веществ в воздушном потоке.

На фиг. 2 приведена аналоговая система обработки сигналов при вычислении КТД.

Устройство для осуществления способа измерения КТД веществ в воздушном потоке содержит точечный источник трассера и измеритель скорости распространения трассера в воздушном потоке, выполненные в виде одного проволочного нагревательного элемента 1, свернутого в спираль. Каждый узел измерения ширины факела трассера содержит точечные 2, 3,4 и протя- женные 5,6 термометры сопротивления, выполненные в виде проволочных элементов одинаковой длины. Точечные термометры 2, 3, 4 свернуты в спираль, а протяженные термометры 5, 6 - растянуты на изолированных опорах 7. Термометр 2 установлен перед нагревательным элементом 1, а термометры 3, 4 - последовательно за нагревательным элементом 1, на одинаковом расстоянии. Протяженные термометры 5, 6 размещены соответственно в паре с точечными термометрами 3, 4 и образуют узлы измерения. Термометр 3 расположен в одной плоскости сечения А-А факела трассера с термометром 5, а термометр 4 - соответственно в плоскости сечения Б-Б факела трассера с термометром 6. Причем, термометр 3 установлен в средней части проволочного элемента термометра 5, а термометр 4 - в средней части проволочного элемента термометра 6. Проволочные элементы термометров 5, 6 ориентированы перпендикулярно оси расположения термометров 1-6. Кроме того, проволочные элементы термометров 1-6 подсоединены к блоку питания 8 и через блок 9 обработки сигналов - к регистрирующему прибору 10. Блок 9 обработки сигналов может быть выполнен на основе микропроцесса или аналоговой системы обработки сигналов.

Способ измерения КТД веществ в воздушном потоке осуществляют следующим образом. На нагревательный элемент 1 и термометры 2-6 подается напряжение с блока питания 8. Элемент 1 нагревает воздушный поток, вследствие чего формируется тепловой факел трассера. Поток тепла диффундирует, в соответствии со степенью турбулентности набегающего воздушного потока, в поперечном и продольном направлениях. Протяженный термометр 5 изменяет свое электрическое сопротивление пропорционально амплитудному значению изменения температуры (ДТЛ1) потока в сечении А-А факела трассера и ширине (en) сечения А-А факела трассера. Точечный термометр 3 изменяет свое сопротивление пропорционально только амплитудному значению изменения температуры (ATTi) потока в сечении А-А факела трассера. При одинаковой длине (L) проволочных элементов термометров 3, 5 ширину (ai) теплового следа в сечении А-А определяют по формуле:

1п ATTI J АРл1 . L

2л: ART1 Протяженный термомент 6 изменяет свое

сопротивление АЯл2 пропорционально амплитудному значению изменения температуры (ДТЛ2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера и ширине {&) сечения (Б-Б) факела трассера. Точечный термометр 4 изменяет

(71

(4)

02

свое сопротивление (ДНт2) пропорционально только амплитудному значению изменения температуры (ДТТ2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера. При одинаковой длине (L) проволочных элементов термометров 4, 6 ширину (02) теплового следа в сечении (Б-Б) определяют по формуле:

Ч-.(5)

2тс

Скорость (V) набегающего воздушного потока измеряют по величине мощности, подаваемой на нагревательный элемент 1 стандартным термоанемометрическим способом. Сигналы с термометров 2-6 и нагревательного элемента 1 поступают на блок 9, они обрабатываются в аналоговой или цифровой форме. При выполнении блока 9 в виде аналоговой системы обработки сигналов (фиг. 2), вычисление КТД производится по формуле (2) с учетом значений ширины 1, 2 сечений А-А, Б-Б факела трассера, определенных по изменениям температуры факела трассера в этих сечениях: 1 .у. АТц 2жАТт2

АТц L 1

АТп D 2л:

ARL2 АРм . j

ART2 ART1 D

(6)

где L - длина проволочных элементов термометров 2-6;

D - расстояние между сечениями А-А и Б-Б.

Действующая модель устройства для измерения КТД веществ в атмосфере представляет собой консоль длиной 180 мм, на которой укреплены последовательно через 50 мм на штангах: термометр 2 опорного сопротивления (на высоте 40 мм), нагреватель 1 (на высоте 80 мм), два опорных кольца диаметром 100 мм. На кольцах укреплены протяженные термометры 5, 6 и точечные термометры 3, 4. Проволочные термометры выполнены из медного провода в эмалевой изоляции диаметром сечения 20 мкм. Нагреватель 1 выполнен из нихромового провода и обеспечивает нагрев от блока 8 питания до 70°С. Блок 9 (фиг. 1) обработки данных может быть реализован на основе стандартных узлов обработки аналоговых сигналов. Напряжения на термометрах 3-6 (фиг. 1), пропорциональны их сопротивлениям при стабилизации тока. Изменение напряжения при включении нагревателя 1 пропорционально изменению сопротивления AR термометров 3-6. Тогда, подставив

в формулу (6) значения ART1, ART2, АЯЛ1, АЯл2 пропорциональные их значения A(JT1, AUT2, А11л1, А)Ил2 и приравняв все константы

-fi-G получим выражение для КТД

через Аи и скорость V: К

а V (Ди.2-АиТ1)2-(АиЛ1 -AUT2)2

AUT2AUTi)2

(7)

Получение напряжения U, пропорционального К, выполняется схемой, приведенной на фиг, 2. Преобразователи 11 (на основе

дифференциальных усилителей), по одному на каждый линейный и точечный датчики, дают соответственно AUT1, AUT2, иЛ1, А1)л2. Аналоговые перемножители 12,13,14 вычисляют произведения, стоящие в скобкэх формулы (7), перемножители 15, 16, 17 выполняют возведение в квадрат, дифференциальный усилитель 18 - вычитание, делитель 19 (на основе перемножителя) осуществляет деление, перемножитель 20 умножение на а. Усилитель 21 регулирует коэффициент а.

Пример вычисления коэффициента турбулентной диффузии приведен в таблице 1. При этих значениях ширина сечения АА факела oi 8,5 мм и ширина сечения Б-Б «72 31,1 мм, а значение коэффициента турбулентной диффузии составляет: К 3,83х хЮ 3м2/сек.

Технический эффект предлагаемых технических решений состоит в повышении производительности определения КТД вследствие оперативности получения данных за счет одномоментного усреднения концентрации трассера в разных точках сечений его факела, что позволяет сократить время получения значений КТД с 1 часа (в прототипе) до долей секунды в предложенных способе и устройстве. Это важно, например, при оперативном принятии

решений в полевых условиях для оптимизации технологии авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того упрощается автоматизация технических средств вследствие того,

что в предлагаемом устройстве используется одинаковая по принципу действия аппаратура.

Формула изобретения

вычисление коэффициента турбулентной диффузии К по формуле

v - i . QI+OJ . ai-oi К- VgD

отличающийся тем, что, с целью измерения производительности, в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии, в каждом из двух сечений факела определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды АТл и ATTi соответственно на линейном участке длиной L и в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из вы2 ДТЛ1 , ражения а L .

VK А

9ar.i

атмосфере, включающее точечный формирователь факела трассера, измеритель скорости распространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные

на измеренном расстоянии друг от друга, и блок регистрации и обработки, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности, формирователь факела трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой, нагревательный элемент, точечные

термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой, причем протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой.

lJ Ц-

dR

&)л

Фиг. г

44

ди