Автоматический контроль запыленности воздушной среды на промышленных объектах
Одним из источников загрязнения воздушного бассейна промышленных объектов и воздуха производственных помещений (цехов, складов и т.п.) является пыль. Пылью называют дисперсную систему, состоящую из мельчайших твёрдых частиц, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии. Можно выделить атмосферную и промышленную пыль. Промышленная пыль образуется в результате производственных процессов. Атмосферная пыль включает промышленную (образующуюся вследствие загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий) и естественную, возникающую при выветривании горных пород, вулканических извержений, ветровой эрозии земель и т.п. К промышленным предприятиям, выбрасывающим пыль в атмосферу и в объём производственных помещений, относятся предприятия чёрной металлургии, теплоэнергетики, химической, нефтеперерабатывающей, керамической, горнорудной, текстильной, пищевой и ряда других отраслей промышленности.
Большое количество взвешенной пыли образуется в результате работы механизмов ударного действия (дробилок, мельниц, разрыхлителей), а также машин и установок, действие которых сопряжено с наличием воздушных потоков (пневмотранспорта, сепараторов и т.п.), узлов загрузки и выгрузки измельченной продукции, транспортёров и др.
Пыль в воздухе может быть причиной ряда заболеваний человека и приносит значительный социальный ущерб. Многие пыли во взвешенном состоянии способны образовывать взрывоопасные концентрации. Величины концентрационных пределов воспламенения пылевоздушных смесей зависят не только от химического состава вещества, но и в значительной мере от степени измельчённости пыли, её влажности, зольности и т.д. Наиболее важное значение имеет нижний концентрационный предел распространения пламени пылевоздушных смесей, так как величина верхнего предела очень высока и практически редко достижима.
Значительную опасность представляет и осевшая пыль, при взвихрении создающая взрывоопасные смеси. Самовозгорающая пыль может вызвать очаги самовозгорания.
Измерение концентрации пыли является трудной задачей. Это обусловлено тем, что пыль представляет собой сложную систему, которую в противоположность газовоздушной среде нельзя описать в достаточной степени одним или двумя параметрами. Прежде всего, пыль почти всегда является полидисперсной, т.е. характеризуется более или менее широким спектром размеров частиц (от 1-2 до 102 мкм). Интервал концентраций является ещё более широким (от 1-8 до 105 ) мг/м3. Кроме того, форма и физико-химические свойства частиц пыли могут быть самыми разнообразными. Возможно и временное изменение свойства пыли. Всё это исключает возможность создания универсального метода измерения концентрации пыли. Более того, пылегазовая среда является неустойчивой аэродисперсной системой, а это создаёт существенные трудности при определении пылевых эталонов. В отличие от газоанализаторов, которые основаны как на химических, так и на физических методах измерения, для пылемеров предпочтительными являются физические методы как наиболее полно соответствующие условиям измерения и метрологическим требованиям.
Для измерения концентрации пыли в потенциально взрывопожароопасных помещениях и технологических аппаратах пылемеры должны отвечать и ряду специфических требований: взрывозащищённости, представительности пробы, точности количественной оценки пробы и концентрации, минимальному транспортному запаздыванию, наличию предупредительной аварийной сигнализации и обратной связи для воздействия на источник запыления.
При изменении концентрации пыли важной стадией анализа является отбор проб, так как необходимо обеспечить представительность пробы и её идентичность по дисперсности, химическому составу и концентрации той пыли, из которой проба взята.
Методы измерения концентраций пыли разделяют на две группы: методы, основанные на предварительном её осаждении, и методы без предварительного осаждения пыли.
Преимуществом методов и приборов измерения концентрации пыли, основанных на предварительном её осаждении, является возможность измерения массовой концентрации пыли. К недостаткам следует отнести циклический характер измерения, высокую трудоёмкость, низкую чувствительность анализа. К основным методам измерения концентрации пыли, основанным на предварительном её осаждении, относятся: весовой, радиоизотопный, оптический, пьезометрический и ряд других.
Весовой метод измерения концентрации пыли заключается в выделении из полевоздушного потока частиц пыли и определении их массы путем взвешивания.
Концентрацию пыли рассчитывают по формуле
, (4.16)
где m – масса пыли на фильтре; Vв– объемная скорость просасывания воздуха через фильтр; t – время отбора пробы.
Измерение концентрации пыли весовым методом включает отбор пробы запыленного воздуха, измерение ее объема, полное улавливание содержащейся в пробе пыли и взвешивание осажденной пыли.
Весовой метод широко используется для измерения запыленности как атмосферного воздуха и воздуха производственных помещений, так и отходящих газов промышленных выбросов.
Радиоизотопный методизмерения концентрации пыли основан на использовании свойства радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Запыленный воздух предварительно фильтруют и затем определяют массу осевшей пыли по ослаблению радиоактивного излучения при прохождении его через пылевой осадок. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле (4.16), массу m осевшей на фильтре пыли определяют, исходя из зависимости
, (4.17)
где Iрад и I0рад – интенсивность радиоактивного излучения после прохождения через пылевой осадок на фильтре и через чистый фильтр; mm – массовый коэффициент поглощения радиоактивного излучения, равный 
; Emax – максимальная энергия радиоактивного излучения; a и
b – константы.
При определении концентрации пыли радиоизотопным методом наиболее широко используют b-излучение, так как оно обладает наиболее широко проникающей способностью. При расчете массы осадка пыли на фильтре необходимо учитывать толщину фильтра, неоднородность его структуры, вследствие чего поглощение b-излучения вдоль фильтра происходит неравномерно. С учетом этих факторов уравнение (4.17) примет вид:
, (4.18)
где mф – массовый коэффициент поглощения для фильтра; mф – масса единицы площади фильтра.
Выразив в формуле (4.17) массовые коэффициенты поглощения через слой половинного поглощения b–излучения, получим следующую формулу для определения массы пыли:
, (4.19)
где m1/2 и m1/2ф – слои половинного поглощения b-излучения в осадке пыли и фильтре соответственно.
Следует отметить некоторое преимущество радиоизотопного метода измерения концентрации пыли в атмосферном воздухе по сравнению с весовым. Так как радиоизотопным методом определяют массу пыли, отнесенную к единице поверхности фильтра, то уменьшение площади последнего не снижает точности измерения, тогда как в весовом методе точность измерения снижается с уменьшением площади фильтра.
В радиоизотопном методе площадь фильтра определяется размерами источника излучения и не превышает 1 см2.
Схема радиоизотопного пылемера приведена на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Функциональная схема радиоизотопного пылемера:
1 – источник 
-излучения; 2 – фильтрующая лента; 3 – газовый канал;
4 – измерительная ионизационная камера; 5 – компенсационная камера;
6 – усилитель; 7 – измерительный прибор
Оптический метод измерения концентрации пыли основан на предварительном ее освещении в фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Метод включает операции, аналогичные операциям весового метода, но вместо взвешивания пылевого осадка проводят его фотометрирование. Оптическую плотность пылевого осадка можно определить путем измерения поглощения или рассеяния им света. Измерение оптической плотности пылевого слоя основано на определении снижения интенсивности света I, прошедшего через слой пыли:
, (4.20)
где I0 – интенсивность нанесенного светового потока; С – концентрация пыли, накапливаемой на фильтре; Е – показатель поглощения света, приходящийся на единицу концентрации пыли; l – толщина слоя пыли.
Оптическая плотность D пылевого слоя равна
. (4.21)
Поскольку при осаждении пыли на фильтр изменяются как её концентрация ее С, так и толщина слоя l, то при измерении оптической плотности пылевого слоя можно определить суммарную величину Сl, являющуюся поверхностной концентрацией Спов пыли на фильтре:
, (4.22)
отсюда
,
т.е. между оптической плотностью образовавшегося пылевого слоя и поверхностной концентрацией пыли существует линейная зависимость. Измерив D и зная показатель Е, можно определить Спов:
. (4.23)
Концентрация пыли может быть также определена через коэффициент пропускания t = I/I0 , который связан с оптической плотностью следующим выражением:
. (4.24)
Подставив значение D в уравнение, получим:
. (4.25)
Схема фотометрического пылемера приведена на рис. 4.9.
 |
Рис. 4.9. Оптическая схема пылемера:
1 – фотоприемник сравнения; 2 – регулирующий винт; 3 – источник света;
4 – заслонка; 5 – классификатор; 6 – фильтр; 7 – измерительный фотоприемник
Пьезометрический метод измерения концентрации пыли имеет два варианта:
Пьезокристаллический метод. Измерение изменений частоты колебаний пьезокристалла при осаждении на его поверхности частиц пыли и подсчет электрических импульсов, возникающих при соударении частиц пыли с пьезокристаллом. Пьезокристалл включают в контур резистора, настроенного на определенную частоту f. За измеренным кристаллом устанавливают компенсационный пьезокристалл, изолированный от пылевоздушного потока. Этот кристалл включен в контур резонатора, частота которого fк отлична от f. Выходные колебания обоих резисторов подают на блок сравнения, выходной сигнал которого пропорционален разности
Df = f - fк.
При осаждении пыли на измерительный кристалл частота колебаний последнего уменьшается на D fк, при этом изменяется разность
Df2 = f-fк = Df-Df1. (4.26)
Установлено, что при малых амплитудах колебаний
Df1 = Am, (4.27)
где А – коэффициент пропорциональности, т.е. изменение частоты измерительного кристалла прямо пропорционально массе m осевшей на нем пыли. Схема пьезокристаллического пылемера приведена на рис. 4.10.
 |
Рис. 4.10. Схема пьезокристаллического пылемера:
1 – липкое покрытие; 2 – измерительный пьезокристалл; 3 – корпус;
4 – компенсирующий кристалл; 5 – вентилятор; 6, 8 – резонаторы;
7 – блок сравнения
Существенным преимуществом пьезокристаллического метода является то, что он позволяет измерить массовую концентрацию пыли.
Методы и приборы измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждения также основаны на целом ряде методов.
Оптический методоснован на явлении поглощения света при прохождении его через пылевоздушную среду. Согласно закону Бугера–Ламберта – Бера, оптическая плотность D слоя пылевоздушной среды заданной толщины l прямо пропорциональна коэффициенту поглощения Е и концентрации пыли С в этой среде. Данное утверждение справедливо, если предположить, что пыль состоит из абсолютно черных сферических частиц одинакового диаметра и коэффициент поглощения не зависит от концентрации.
Как следует из уравнения (4.20), чувствительность оптического метода равна
. (4.28)
Таким образом, чувствительность метода тем выше, чем больше коэффициент поглощения Е, толщина поглощаемого слоя l и интенсивность изменения светового потока t, прошедшего через пылевоздушную среду. При измерении малых концентраций пыли для повышения чувствительности используют зеркальные системы, чтобы световой поток дважды проходил через измеряемую пылевоздушную среду. Для каждого вида пыли следует определить оптимальное значение l, при котором чувствительность измерения будет максимальной.
Интенсивность прошедшего светового потока при заданных Е и l можно увеличить, используя мощный источник света, например лазер.
Оптический метод измерения концентрации пыли, использующий ослабление света, также имеет преимущества: малую трудоемкость, практически безинерционность измерения и возможность измерения непосредственно в пылевоздушной среде при полной автоматизации процесса. Метод позволяет определять мгновенные значения концентрации пыли без внесения возмущений в исследуемую среду (рис. 4.11).
 |
Рис. 4.11. Схема пылемера непрерывного действия:
1 – источник света; 2 – линза; 3, 8 – защитные окна; 4, 6 – патрубки;
5, 7 – отверстия для подачи чистого воздуха; 9 – объектив; 10 – фотоприемник
Голографический метод. Анализ аэрозольных частиц был одной из первых областей применения голографии (1964 г.). Голографический метод основан на получении голограммы, которая представляет собой наложение дифракционной картины поля частиц и поля источника света. Метод позволяет получить информацию о счётной концентрации частиц, их размере и положении в пространстве. На рис. 4.12 дана схема установки для получения голограммы.
 |
Рис. 4.12. Установка для получения голограмм частиц пыли:
1 – лазер; 2 – измерительная камера; 3 – линза; 4 – голограмма
Для восстановления изображения по голограмме используют тест – неоновый кадр с непрерывным излучением, который освещает голограмму (рис. 4.13). Восстанавливаемое изображение помещают в фокус линзы, которая проецирует с увеличением одну из изображённых плоскостей на трубку телевизионной камеры. Изображение этой плоскости наблюдается на телевизионном экране. Общее увеличение достигает 300.
Рис. 4.13. Установка для восстановления изображения по голограмме частиц пыли:
1 – голограмма; 2 – восстанавливаемое изображение; 3 – линзы;
4 – телевизионная камера; 5 – телевизионный экран
Смещая голограмму по направлению к линзе и телевизионной камере, можно исследовать любую плоскость голографического изображения, анализируя при этом распределение частиц пыли в контролируемом пространстве. С помощью метода голографии можно измерить частицы в интервале 0,1 – 1000 мкм, при котором загрязнение атмосферного воздуха измеряется на больших расстояниях.
Съёмка частиц в любом объёме с помощью голографической установки осуществляется за время освещения 10-8 с.
Метод лазерного зондирования. Для измерения концентрации атмосферной пыли на больших пространствах и пыли, выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями, удалёнными от места измерения на расстояние до 10 км, используют оптические дистанционные методы. Наиболее пригодны для этой цели оптические методы анализа в видимой и ближней инфракрасной области спектра с применением лазерных роботов-лидаров.
Схема прибора приведена на рис. 4.14.
Рис. 4.14. Оптическая схема лазера:
1 – фотоумножитель; 2 – светофильтр; 3, 8, 9 – линзы; 4, 10 – призмы;
5 – диафрагма; 6, 7, 12 – зеркала; 11 – лазер
Лазерное зондирование атмосферы впервые было осуществлено в 1963 г. Пылевые слои были обнаружены на высоте 60 – 120 км. Метод лазерного зондирования основан на свойствах частиц поглощать или рассеивать лазерное излучение. При изменении света, рассеянного частицами, лазер и фотоприёмник располагают рядом и последний регистрирует интенсивность обратнорассеянного излучения (метод обратного рассеяния). Измерение поглощения лазерного излучения частицами можно проводить двумя способами. Когда лазер и фотоприёмник удалены на значительное расстояние или когда лазер и фотоприёмник расположены рядом, а лучи лазера отражаются от зеркального отражателя, удалённого на значительное расстояние. Принцип действия лазера аналогичен принципу действия радиолокатора. Основным элементом его является лазер, используемый в качестве источника импульсного излучения. Обычно применяются рубиновые или неодимовые лазеры. Мощность в импульсе этих лазеров достигает десятков мегаватт. Длительность зондирующих импульсов лежит в пределах (1 – 2)10-8 е. Импульсы направляются на исследуемый объект с помощью соответствующей оптической системы. Обратное излучение, рассеиваемое объектом, собирается с помощью линзовой и зеркальной системы и направляется на фотоумножитель и после усиления подаётся на осциллограф или для записи на магнитные диски. Метод лазерного зондирования имеет существенные преимущества перед другими методами измерения концентрации пыли, так как он позволяет исследовать пространственно-временную структуру запылённости воздуха и выявить источники пылевыделения.
Для измерения концентрации пыли в воздухе в непрерывном режиме используются и электрические методы.
Индукционный метод. В основу индукционного метода положено определение индуцированного на электроде измерительной камеры заряда, возникающего при движении через камеру заряженных пылевых частиц, что является мерой массовой концентрации пыли.
Контактно-электрический методоснован на способности пылевых частиц электризоваться при соприкосновении с твёрдым материалом. Основным элементом пылемера, основанного на контактно-электрическом методе, является электризатор, в котором электроду частицы пыли передают свой заряд.
Сила тока в цепи токосъёмного электрода является мерой концентрации частиц пыли.
Ёмкостный методоснован на измерении ёмкости конденсатора при введении частиц пыли между его пластинами. Если конденсатор включить в цепь колебательного контура, частота собственных колебаний которого сравнивается с эталонной, то по разности частот можно судить о концентрации пыли. При использовании ёмкостного метода следует учитывать электрические свойства пыли, так как проводящая пыль может изменить ёмкость конденсатора.
Акустический методопределения концентрации пыли основан на измерении изменений параметров акустического поля при наличии частиц пыли в пространстве между источником и приёмником звука. Потери ультразвуковой энергии, обусловленные влиянием взвешенных твёрдых частиц, зависят от ряда физических параметров: радиуса частиц, их плотности и концентрации и т.п.