Устройство для определения примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе Советский патент 1993 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области измерения давления и течеисканию. Оно позволяет определять важный, с экологической точки зрения, показатель состояния атмосферы Земли - содержание в ней сероводорода, галогенсодержащих веществ, в частности, фреонов.

Известен способ определения концентрации галогенсодержащих веществ в воздухе, при котором из приповерхностногослоя атмосферы и с разных высот забираются пробы атмосферного воздуха, доставляются в наземную лабораторию и там методом хроматографии определяется содержание галогенсодержащих веществ в воздухе каждой из доставленных из различных слоев атмосферы проб.

Недостатком этого способа является то, что он не поддается автоматизации и мониторингу, нуждается в длительных измерениях и не дает непрерывной информации об изменении концентрации галогенсодержащих веществ с изменением высоты над поверхностью Земли и на Земле.

Известно устройство для определения концентрации галогенсодержащих примесей в воздухе, в котором используется диод с цилиндрическим анодом, выполненным из металла с работой выхода более 5 эВ, тер- мокислородостойкого при температурах до 1000°С, например, из платины или никеля, Внутри анода расположена спираль подогрева анода, соединенная с источником постоянного напряжения. Используемый в

XI

Ю О О

о

СО

устройстве вентилятор осуществляет прокачку исследуемых газов через диод.

Недостатком этого устройства является невозможность количественного определения концентрации галогенсодержащих примесей в воздухе, например, фреонов, отравляющих веществ, таких как фосген, хлорпикрин, сероводорода и других примесей газов, образующих отрицательные ионы, как на поверхности Земли, так и на высотах, соответствующих стратосфере и тропосфере.

Целью изобретения является обеспечение количественного измерения концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества (хлорфторуглероды). .

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено вторым аналогичным диодом с вентилятором, причем спираль подогрева анода второго, сравнительного, диода подключена к источнику регулируемого напряжения, при этом оба диода образуют . плечи мостовой схемы, диагональ которой включена на вход регистрирующего устройства. Устройство также снабжено соединенным со сравнительным диодом баллоном, наполненным воздухом, заведомо несодержащим примесей газов, образующих отрицательные ионы, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества, при этом из- мерительный диод через систему кранов соединяется попеременно либо с указанным баллоном, либо непосредственно с исследуемым.атмосферным воздухом.

В том случае, когда проводятся количественные измерения концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе над поверхностью Земли на высотах, соответствующих стратосфере и тропосфере, баллон выполнен с эластичными стенками.

В заявленном устройстве впервые предложено новое схемное решение с использованием двух идентичных диодов, одинаковость токов положительных ионов через которые обеспечивается возможностью изменения температуры анода одного из них за счет использования в нем регулируемого подогрева анода. Такая балансировка прибора проводитря при заполнении обоих диодов воздухом, заведомо не содержащим примесей газов, образующих отрицательные ионы, например, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества, для чего в устройстве применяется баллон, содержащий этот воздух. Балансировка дает возможность получить начальный нулевой отсчет. Последующее заполнение одного из диодов воздухом с примесью газов, образующих отрицательные ионы, вызывает увеличение тока положительных ионов .в нем, которое и является мерой концентрации примесей га- зов, образующих отрицательные ионы, в воздухе.

При подъеме устройства над поверхностью Земли при непрерывном изменении давления для обеспечения одинаковости

давлений в диодах в том случае, когда один

из них заполняется испытуемым атмосферным воздухом, а второй воздухом из баллона, стенки баллона делаются из эластичного материала.

Все это обеспечивает количественное измерение концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества как на поверхности Земли,

так и на высотах, соответствующих стратосфере и тропосфере.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию существенные отличия.

На чертеже представлена блок-схема устройства для определения примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе. Устройство состоит из системы двух одинаковых диодов, блоков питания и

измерения. Каждый из диодов состоит из цилиндрического катода 1, цилиндрического анода 2 и спираль подогревателя анода 3, а также вентилятора 4 сосуда 5.

Цель изобретения достигается тем, что

содержание примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества при определенном давлении определяется по току эмиссии положительных ионов с

анода и сравнивается с током эмиссии в эталонном газе, заведомо не содержащем примеси газов, образующих отрицательные ионы, при том же давлении, что и испытуемый воздух. Спираль подогрева 3 анода измерительного диода (измерит.) питается от источника постоянного напряжения, а спираль подогрева второго, сравнительного, диода (сравнит.) питается от источника регулируемого напряжения. Оба диода образуют плечи мостовой схемы, диагональ которой подключена на вход регистрирующего устройства 6.

При работе устройства сравнительный диод соединен с баллоном 7, наполненным воздухом, заведомо не содержащим примесей газов, образующих отрицательные ионы, а измерительный диод через систему кранов 8 и 9 может быть соединен попеременно как с баллоном 7, так и непосредственно с исследуемым атмосферным воздухом.

При подъеме устройства над поверхностью Земли, при непрерывном изменении давления стенки баллона делают эластичными. Такие стенки резервуара обеспечивают одинаковость давлений газов внутри обоих диодов при изменении внешнего атмосферного давления по мере подъема устройства над Землей. Величина объема баллона 7 с эластичными стенками задается исходя из заданного времени непрерывного измерения концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, например, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества и зависит от производительности используемого вентилятора.

Перед отсчетом концентраций примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе оба диода соединяются с сосудом 7, воздух в котором заведомо не имеет примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества. Это достигается путем открытия крана 8 и временного перекрытия крана 9. В таком положении устройство балансируется путем изменения тока подогрева анода сравнительного диода, причем ток в измерительной диагонали моста должен быть сделан равным нулю. Измерительный диод вновь соединяется с воздухом путем открытия крана 9 и закрытия крана 8. Мерой концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, например, таких как сероводород, галогенсодержащие вещества, в анализируемом воздухе является ок разбаланса в измерительной диагонали моста 6. Для измерения концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе на различных высотах устройство должно быть помещено в открытый контейнер, снабженный высотомером. Для получения результатов измерений на наземной станции без задержки во време.ни необходим контейнер, оборудованный системами телеуправления и телеизмерений.

Диапазон измеряемых концентраций примесей электроотрицательных газов в воздухе вытекает из следующих физических соображений. Со стороны малых концентраций граница диапазона определяется соотношением сигнал-шум, где величина сигнала - это составляющая тока положительных ионов, а шум - это флуктуации и дрейф как самого этого тока, так и устройства, измеряющего этого ток. За начало регистрации принимают сигнал, величина которого вдвое превышает величину шума.

В данном устройстве предельно регистрируемое парциальное давление по фреону12 составляет Па, что соответствует концентрации фреона 2,5 1014 частиц в м3. При 5 этом приращениз ионного тока составляет величину 10 мкА. Снижение уровня шума устройства уменьшает предельно измеряемую концентрацию примеси до значения 1013 частиц в м3.

0 Верхняя граница измеряемого диапазона концентраций примесей электроотрицательных газов в воздухе определяется временным отравлением эмиттера датчика устройства. Это происходит при концентра5 циях электроотрицательных газов, превышающих величину 5-Ю20 - 5-1021 частиц в м3, что в случае сероводорода позволяет осуществлять измерение его концентрации в рабочей зоне (ПДК рабочей зо ны 10 ррт,

0 что соответствует величине 2,7-1020 частиц в м3).

При измерениях концентраций электроотрицательных газов на разных высотах необходимо учитывать зависимость

5 показаний прибора от давления окружающего датчик воздуха. При уменьшении атмосферного давле-ния при подъеме устройства над поверхностью Земли, когда давление окружающей устройство среды

0 падает ниже 13 Па, что соответствует подъему устройства на высоту 30 км, чувствительность датчика устройства резко падает. При этом при сохранении уровня шума снижается величина полезного сигнала (умень5 шение тока положительных ионов).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять величины концентраций примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, например,

0 таких как сероводород, галогенсодержащие вещества как на по поверхности Земли, так и на высотах, соответствующих стратосфере и тропосфере. Проблема измерения концентрации примесей газов в воздухе является

5 важнейшей задачей, актуальной для экологической проблемы атмосферы Земли, включая проблему образования озонных дыр и безопасность населения.

Предлагаемое устройство позволяет ус0 тановить наиболее опасные для экологии Земли районы по выбросу в атмосферу газов и паров.

Устройство позволяет осуществить уп- . рощение исследований, осуществлять авто5 матизацию и мониторинг измерения концентрации таких примесей газов в воздухе, как, например, сероводород, галогенсодержащие вещества, фреоны. Устройство позволяет получать непрерывную информацию об изменении концентрации примесей в воздухе как на поверхности Земли, так и с

изменеькем высоты над поверхностью Земли,

Использование: течеискания, определение важного, с экологической точки зрения, показателя состояния атмосферы Земли - содержание в ней галогенсодержащих веществ, сероводорода. Сущность изобретения: устройство содержит два диода (сравнительный и измерительный) с вентиляторами для прокачки газов через диоды. Диоды образуют плечи мостовой схемы, диагональ которой включена на вход регистрирующего устройства, Сравнительный диод соединен с баллоном, изготовленным из эластичного материала, наполненным воздухом, заведомо несодержащим примесей. Измерительный диод через систему кранов соединяется попеременно либо с баллоном, либо с исследуемым воздухом. 1 ил, ел

Формула изобретения Устройство для определения примесей газов, образующих отрицательные ионы, в воздухе, содержащее измерительный диод, цилиндрический анод которого выполнен из термокислородостойкого при температурах до 1000°С металла, внутри анода расположена спираль подогрева анода, соединенная с источником постоянного напряжения, вентилятор, служащий для прокачки газов через диод, и регистрирующее устройство, отличающее с я тем, что, с целью обеспечения количественного измерений концентрации примесей газов, образующих отрицательные ионы в воздухе, оно снабжено вторым аналогичным диодом с вентиля- тором, причем спираль подогрева анода второго, сравнительного, диода подключена к источнику регулируемого напряжения, при этом оба диода образуют плечи мостовой схемы, диагональ которой включена на вход регистрирующего устройства, устройство снабжено соединенным со сравнитель- ным диодом баллоном с эластичными стенками, наполненными воздухом, заведомо не содержащим указанных примесей, при этом измерительный диод через систему кранов соединен попеременно либо с указанным баллоном, либо непосредственно с исследуемым атмосферным воздухом.