УДК 551.508.95
Изокинетический заборник воздуха и результаты его натурных испытаний
Б. Д. Белан*, Д. К. Давыдов*, В. К. Ковалевский*
Описывается изокинетический заборник аэрозольных частиц, который позволяет существенно уменьшить ошибки измерений. Сопоставление его с обычно применяемым на сети станций показывает, что из-за невыполнения условия изокинетичности ошибки при определении массовой концентрации взвешенных частиц могут составлять от 3 до 20 раз.
Одним из основных загрязняющих воздух компонентов является атмосферный аэрозоль или взвешенные вещества. В составе частиц атмосферного аэрозоля, особенно антропогенного происхождения, обычно присутствуют такие токсичные вещества, как бензопирен, тяжелые металлы, сульфаты, нитраты и т. п. Поэтому в системах экологического мониторинга ведется постоянный контроль этого компонента воздуха. Для измерения характеристик аэрозоля применяется широкий набор методов и средств. Достаточно подробный их перечень приведен в [5]. Однако ключевым моментом в изучении свойств аэрозоля является корректный отбор проб частиц воздуха (аспирация), на что обращал внимание еще Н. А. Фукс [7]. Дело в том, что в зависимости от своего размера частицы по-разному увлекаются воздушными потоками и поэтому могут не попадать в измерительный объем прибора или обходить подложку или фильтр. Сравнение показаний 17 одновременно экспонируемых приборов, выполненное в [8], показало, что из-за неправильной аспирации аэрозоля их отсчеты различались до 25 раз. Следовательно, без организации корректного отбора проб говорить о надежности данных о концентрации аэрозоля не приходится. Наиболее совершенный изокинетический заборник описан в [4]. Большим его достоинством является отсутствие побудителя расхода. Однако в ряде случаев и этот заборник не позволит корректно провести отбор аэрозоля. Это относится к условиям штиля и к тем случаям, когда отбор необходимо производить при заданном расходе воздуха [5].
Все вышеизложенное послужило причиной для разработки устройства, лишенного отмеченных недостатков. Оно описывается в данной статье.
Конструкция изокинетического заборника аэрозоля приведена на рис. 1. Видно, что заборник состоит из сопла переменного сечения, изменение площади которого от 30 до 1,5 см2 обеспечивается подвижной заслонкой 2. Положение заслонки определяется с помощью датчика, а ее перемещение
* Институт оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук.
Рис. 1 Конструкция заборника. Пояснения приведены в тексте.
осуществляется электроприводом 3 через редуктор, Сопло соединено с вращающейся колонкой 4, которая одновременно является воздуховодом 1. Колонка 4 обеспечивает перпендикулярность площади сопла набегающему потоку посредством электропривода 5 с редуктором. О направлении, по которому производится отбор аэрозоля, можно судить с помощью датчика угла колонки 5. Измерительный объем представляет собой разъемное соединение, в которое вставляется измерительный прибор или фильтр. Расход воздуха через измерительное средство контролируется с помощью ротаметра, дополненного стабилизатором расхода [3]. Разрежение на выходе устройства обеспечивается побудителем расхода, в качестве которого чаще всего используется обычный бытовой пылесос [1, 2, 6].
Работу заборника рассмотрим с помощью блок-схем, приведенных на рис. 2, В зависимости от решаемой задачи (отбор проб на фильтры, измерение счетной концентрации частиц, их дисперсного состава и т. п.) расход воздуха через заборник может изменяться от 0,1 до 25 мъ!ч [6]. Поэтому в заборниках следует иметь побудители, управляющие расходом. В данном конкретном случае при наличии такого побудителя нами установлен фиксированный расход воздуха 10 мъ!ч — наиболее часто встречающаяся величина. Этот расход обеспечивается при полностью поднятой заслонке с помощью схемы авторегулирования, изображенной на рис, 2а [3].
Видно, что на контрольный поплавок ротаметра 2 направляется поток света от осветителя 1. Положение поплавка ротаметра фиксируется фотоприемниками 3, сигнал от которых через дифференциальный усилитель 4 подается на регулятор расхода 5 и побудитель расхода 6. Схема тривиальна и в особых комментариях не нуждается.
Для работы настоящего заборника необходимы сведения о скорости и направле-
Датчик направления ветра
Датчик
утла колонки
Фазовый детектор Электропривод колонки
Датчик скорости ветра
Датчик положения заслонки
Дифференциальный усилитель Электропривод заслонки
Рис. 2. Блок-схемы регулятора расхода (а), управления колонкой (б) и заслонкой (в).
нии ветра в месте отбора проб, В существующих системах мониторинга для этих целей обычно используется анеморумбометр М-47 [5]. Датчиком направления у него является сельсин, а датчиком скорости — тахогенера-тор. Поэтому и в настоящем заборнике датчиком положения угла колонки выбран сельсин, а электроприводом — двигатель постоянного тока. На рис. 26 видно, что сигналы с датчиков направления ветра и положения угла колонки подаются на фазовый детектор, который по величине их рассогласования управляет электроприводом колонки.
В связи с тем, что скорость ветра в реальных условиях изменяется в широких пределах, а для большинства методик измерений необходимо обеспечение постоянства расхода воздуха, в заборнике выбрана схема сопла переменного сечения. При таком подходе изменение скорости ветра компенсируется изменением площади сечения. Расход же воздуха через прибор остается постоянным. Реализуется этот подход по блок-схеме на рис. 2в. Сигналы с датчика скорости ветра и положения заслонки подаются на дифференциальный усилитель, причем в обратной полярности: усиление скорости должно приводить к уменьшению площади сопла заборни-ка. Дифференциальный усилитель вырабатывает сигнал разбаланса и подает его на электропривод заслонки, который перемещает ее по заранее определенному масштабу.
Приведем технические характеристики заборника:
Расход воздуха, постоянный в диапазоне 1—25 мъ!ч
Диапазон скорости ветра, при которой 1—20 м/с
выполняется условие изокинетичности
Изменение направления ветра 0—360°
Постоянная времени по углу и расходу 1 мин
Гистерезис:
скорость ±0,5 м/с
направление ±10°
Таким образом, описываемый заборник позволяет отбирать аэрозоль изокинетически при постоянном расходе воздуха.
Для проверки работоспособности заборника и сравнения его характеристик со стандартно применяемыми средствами был проведен следующий эксперимент. Был построен ветровой туннель, который схематично показан на рис. 3. В туннеле располагались разработанный нами заборник 3 и стандартный заборник 4. Побудитель расхода 2 создавал необходимое разрежение и заборники омывались воздухом, содержащим аэрозоль. Было провеЙЙно 2 вида опытов, в которых контрольным средством выступал фотоэлектрический счетчик АЗ-5, измеряющий дисперсный состав аэрозоля по 12 каналам в диапазоне размеров частиц от 0,4 до 10 мкм.
Первый тип эксперимента заключался в том, что скорость натекающего потока была установлена равной 2,5 м/с и соответствовала условию изоки-нетичности для стандартного заборника, когда он располагался в позиции 4, т. е. перпендикулярно потоку. Описываемый здесь заборник автоматически устанавливался в позиции 3 также перпендикулярно потоку, скорость воздуха в его сечении также была равной 2,5 м/с. Затем с учетом того, что стандартный заборник не реагирует на изменение ветра в реальной атмосфере, этот процесс имитировался в ветровом туннеле искусственно, а 106
именно: стандартный заборник ступенчато, через 45°, отклонялся от оси ветрового туннеля, направленной навстречу потоку. Это отражено на рис. 3 позициями 4-1, 4-2, 4-3, 4-4. Сделанные для каждой позиции заборников отсчеты на фотоэлектрическом счетчике позволяют судить о том, какая часть спектра искажается стандартным заборником при его эксплуатации в атмосфере. Цель этого эксперимента — проверка различий в измерениях счетной концентрации аэрозоля при изменении направления ветра.
Во втором типе эксперимента проверялись различия в измерениях концентрации аэрозоля при изменении скорости ветра, поскольку в стандартном заборнике расход воздуха и сечение заборника в процессе отбора проб не меняются. В этом случае оба заборника были направлены перпендикулярно потоку (3 и 4 на рис. 3), а изменялась скорость набегающего потока с помощью побудителя расхода 2. При этом скорость воздуха в сечении стандартного заборника составляла, как и в предыдущем случае, 2,5 м/с. Измерения выполнены при скоростях потока в ветровом туннеле 0; 2,5; 5,5; 11 и 18 м/с.
Эксперименты проводились на открытом воздухе, т. е. с реальным атмосферным аэрозолем в июне 1999 г. Для этого выбирались дни с устойчивой погодой, когда концентрация аэрозоля изменялась незначительно. Для каждого положения заборника и указанных скоростей ветра было проведено по 10 пятиминутных серий измерений. Данные затем осреднялись и представлены на рис. 4—б.
На рис. 4 видно, что когда стандартный и изокинетический заборники направлены перпендикулярно потоку и скорости потока на их входе равны между собой и равны скорости набегающего потока, различий в данных фотоэлектрического счетчика, подключаемого к обоим заборникам, практически не наблюдается. Приведенные на рис. 4 спектры распределения частиц по размерам относятся к разным дням измерений.
Распределение частиц аэрозоля при отклонении стандартного заборника от направления омывающего его потока при автоматическом выборе положения изокинетическим заборником показано на рис. 5. Видно, что чем сильнее стандартный заборник отклоняется от оси набегающего потока, тем сильнее искажается распределение частиц по спектру. Особенно сильно искажается грубодисперсная часть спектра.
И, наконец, на рис. 6 приведены распределения частиц, полученные при разных скоростях потока в ветровом туннеле, когда оба заборника были перпендикулярны потоку. При этом скорость в сопле изокинетиче-ского заборника также автоматически устанавливалась равной скорости
Рис, 3. Схема эксперимента,
I — ветровой ту ннель; 2 — побудитель расхода воздуха; 3 — изокинетическийзаборник; 4—ст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.