3. Методы и приборы определения запыленности воздуха

3.1 Обзор пылемеров

Пылемеры, приборы для определения концентрации и (или) дисперсного состава, т. е. распределения по размерам (в основном в интервале от менее 1 мкм до нескольких десятков мкм), взвешенных в атм. воздухе или промышленных газах твердых частиц (пыли, дымы) аэрозолей.

Концентрацию пыли можно измерять без отбора пробы запыленного газа и с ее отбором. В последнем случае необходимо, как правило, получать осадок пыли; для ряда приборов наличие такого осадка не требуется.

Массовые пылемеры - ручные либо автоматические приборы периодического или непрерывного действия. Пробу запыленного газа отбирают через специальную трубку, установленную входным отверстием навстречу газовому потоку с соблюдением равенства скоростей газа во входном сечении трубки и в потоке. Фиксированный объем пробы просасывают через фильтр и по его привесу находят массу выделенной из газа пыли. Ее концентрацию определяют по отношению массы пыли к данному объему газа. Фильтрующие материалы - тонковолокнистые (стеклянные, синтетические или минеральные), фильтровальная бумага.

К массовым пылемерам относят радиоизотопные приборы для автоматического измерения концентрации пыли по приросту массы осадка на фильтре. Действие их основано на пропускании β- или γ-излучения через предварительно запыленный фильтр и нахождении степени поглощения этого излучения. Непрерывная работа таких приборов достигается применением движущихся ленточных стекловолокнистых фильтров.

Оптические пылемеры. В фотометрических пылемерах, используемых преимущественно для анализа атмосферного воздуха, массу пыли оценивают по интенсивности света, рассеянного (поглощенного) осадком на фильтре (обычно ленточном). Для контроля концентраций промышленных пылей наиболее распространены собственно оптические пылемеры, действие которых основано на поглощении или рассеянии светового пучка, пропущенного через слой запыленного газа в газоходе. В первом случае луч света от источника проходит через газовый поток и, будучи ослабленным за счет поглощения частицами пыли, попадает на один из двух фотоприемников. Одновременно на другой фотоприемник падает луч сравнения. При мостиковой схеме соединения обоих фотоприемников возникает сигнал рассогласования, который является функцией степени поглощения пучка света и, следовательно, площади поверхности частиц пыли в потоке. Отличие пылемеров, измеряющих общее рассеяние света запыленным газовым потоком, состоит в том, что на фотоприемник поступают световые импульсы, рассеянные отдельными частицами пыли (рис. 3.1). Оптические полуавтоматические приборы требуют калибровки для каждого вида пыли, т.к. их показания зависят от ее дисперсного состава и оптических свойств. Применение ИК-излучения позволяет уменьшить нижний предел измерений этих пылемеров с 30 - 50 до 10 мг/м³.

Рис. 3.1 - Оптический пылемер: 1, 5 - защитные стекла; 2 - газоход; 3, 4 - световые ловушки; 6, 10 - линзы; 7 - мостовая измерительная схема; 8 - фотоприемник; 9 - источник света.

Широкую группу пылемеров составляют автоматические приборы, в которых непрерывно отбираемую пробу газа анализируют без получения пылевого осадка. Наиболее просты контактно-электрические пылемеры, действие которых основано на приобретении частицами пыли при трении о внутреннюю поверхность обычно пластмассовой трубки трибоэлектрического заряда; его величина пропорциональна площади поверхности частиц. Недостаток таких пылемеров - зависимость концентрации пыли не только от распределения частиц по размерам, но и от их электрических свойств. В индукционных пылемерах предварительно заряженные пылевидные частицы пропускают через измерительную камеру со специальным электродом, на котором индуцируется заряд, служащий мерой общего заряда частиц, определяемого площадью их поверхности и, значит, мерой концентрации при условии постоянства дисперсного состава пыли. В емкостных пылемерах запыленный воздух просасывают через трубку, внутри которой установлено устройство в виде двух пластин; между ними помещена сетка, находящаяся под напряжением. Устройство включено в контур генератора, частота колебаний которого f изменяется по мере осаждения частиц на сетке; изменение f - мера массы осажденной пыли.

Для измерения низких (до единиц мг/м³) концентраций пыли, присутствующей в основном в атмосферном воздухе, применяют фотоэлектрические счетчики, в которых запыленный воздух пропускают через освещенную зону (от 0,03 до нескольких мм³) и с помощью фото умножителя регистрируют световые импульсы, рассеянные отдельными частицами под углами до 90°. Эти импульсы преобразуются в импульсы напряжения, которые посредством электронной схемы сортируются по амплитудам на несколько диапазонов в соответствии с размерами частиц. Благодаря такой сортировке в приборах с рассеянием под малыми углами (несколько град.) снижается влияние различных факторов на показания счетчика, который без специальной калибровки одновременно определяет концентрацию и размеры частиц (в интервале 0,3 - 20 мкм). Главный недостаток - ограниченный верхний предел так называемой счетной концентрации, который при использовании белого света лампы накаливания близок к 10⁸ частиц/м³ и увеличивается в несколько раз в случае использования лазерного пучка. При концентрациях пыли более нескольких мг/м³ газ предварительно разбавляют чистым воздухом. Одно из актуальных направлений развития таких счетчиков - объединение их с микропроцессорной системой, позволяющей полностью автоматизировать счет частиц при одновременном определении их размеров, поверочную калибровку приборов и выдачу данных в компактном виде (на цифровом печатающем устройстве или магнитной ленте).

Определение дисперсного состава промышленных пылей, особенно при их высоких концентрациях (несколько десятков мг/м³ и более), требует отбора пробы из газового потока с последующим суспендированные пыли в жидкой или газовой фазе, для чего используют специальные приборы. Для измерений размеров частиц без нарушения их агрегатного состояния (это важно для пылей конденсационного происхождения) широко применяют ручные приборы-импакторы (рис. 3.2), в которых сепарацию пыли осуществляют непосредственно в ходе отбора пробы, что позволяет оценивать размеры агрегированных (скоагулированных) частиц. Пыль, присутствующая в пробе, разделяется на 5 - 8 фракций при пропускании газа через последовательно установленные сопла постепенно уменьшающегося диаметра. Частицы соответствующего размера осаждаются на плоских подложках, размещенных напротив сопл. Содержание различных фракций находят по привесу подложек за время отбора пробы. Импакторы позволяют одновременно с дисперсным составом оценивать также концентрацию пыли в газовом потоке.

Рис. 3.2 - Импактор: 1, 5 - входной и выходной патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой осадок; 4, 7 – 10 - сопла; 6 - фильтр.

Для большинства пылемеров характерна погрешность измерений до 20%. Наименьшей погрешностью обладают радиоактивные приборы, а также фотоэлектрические счетчики, наибольшей - ручные массовые пылемеры. При условии соответствующей калибровки ряд пылемеров можно применять также для определения концентраций и дисперсного состава туманов.

В таблице 3.1 представлены пылемеры, выпускаемые в настоящее время нашей промышленностью.

Таблица 3.1 - Пылемеры, выпускаемые российской промышленностью

А-01-25, А-01-45 аспиратор	Аспиратор А-01 применяется для отбора проб воздуха с целью анализа содержащихся в нем примесей	Пыль
АКМР-М комплекс автоматизированный стационарный	Стационарный автоматизированный комплекс АКМР-М предназначен для непрерывного автоматического контроля рудничной атмосферы на предприятиях горнодобывающей промышленности, контолируемые компоненты: метан, кислород, оксид углерода, двуокись углерода, водород, влажность, запылённость, депрессия, а также измерение направления и скорости воздушных потоков	СО, СО2, О2, Н2, СН4, пыль
ИДИП-01П, ИДИП-01ПМ измеритель пыли (пылемер)	Пылемеры ИДИП-01П, ИДИП-01ПМ применяются для оперативного контроля содержания пыли в отходящих газах технологических процессов	пыль
ИКВЧ(п) измеритель концентрации взвешенных частиц (пылемер) переносной	Переносной оптико-абсорбционный измеритель концентрации взвешенных частиц (пылемер) ИКВЧ(п) предназначен для измерения массовых концентраций взвешенных частиц (пыли) и оптической плотности пылегазовых сред, диапазон измерения от 0 до 3000 мг/м^3 (пыль) и от 0 до 2 Б (оптическая плотность)	пыль
ИКВЧ(с) измеритель концентрации взвешенных частиц (пылемер) оптико-абсорбционный стационарный	Стационарный оптико-абсорбционный пылемер (измеритель концентрации взвешенных частиц) ИКВЧ(с) предназначен для непрерывного измерения массовых концентраций взвешенных частиц (пыли), оптической плотности пылегазовых сред и колебаний оптической плотности дымовых потоков, диапазон измерения от 0 до 3000 мг/м^3 (пыль) и от 0 до 2 Б (оптическая плотность)	пыль
ИКВЧ-ВЗ измеритель концентрации взвешенных частиц (пылемер) переносной взрывозащищённый	Переносной взрывозащищённый оптико-абсорбционный измеритель концентрации взвешенных частиц ИКВЧ-ВЗ используется для измерения оптической плотности пылегазовых сред, массовых концентраций взвешенных частиц (пыли) МКП через калибровочный коэффициент и для контроля пылеотложения, диапазон измерения от 0,9 до 3000 мг/м^3 (пыль) и от 0,0006 до 2 Б (оптическая плотность)	пыль
ОМД-21 дымомер микропроцессорный оптический переносной	Переносной оптический микропроцессорный дымомер ОМД-21 используется для инспекционного контроля дымности отработанных газов дизельных и иных двигателей автомобилей с целью оценки качества их работы	пыль
ОМПН-10.0 пылемер комбинированный полуавтоматический стационарный	Стационарный полуавтоматический комбинированный пылемер ОМПН-10.0 применяется для измерения массовой концентрации аэрозольных частиц различного происхождения и химического состава при контроле превышения предельно-допустимых концентраций в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе	пыль
ПИКП-Т пылемер стационарный трибоэлектрический	Стационарный пылемер ПИКП-Т предназначен для технологического и экологического мониторинга и непрерывного контроля качества работы фильтрующих устройств различного типа действия, диапазон измерения от 0 до 3000 мг/м^3	пыль
СКАТ комплекс измерительный стационарный	Стационарный измерительный комплекс СКАТ применяется для автоматического непрерывного измерения массовой концентрации оксида углерода, оксида азота, диоксида азота, диоксида серы, сероводорода, аммиака, диоксида углерода, суммы углеводородов в пересчёте на метан, метана, суммы углеводородов за вычетом метана, формальдегида, аэрозольных частиц (пыли) в атмосферном воздухе; сбора, регистрации, обработки, визуализации и хранения полученных данных; передачи по запросу накопленной информации на внешний удалённый компьютер по проводным и беспроводным каналам связи (телефонные, GSM-каналы, LAN и Интернет)	СО, СО2, NH3, SO2, H2S, NO, NO2, CH4, O3, ΣCH, CH2O, пыль
СМОГ-1М дымомер оптический микропроцессорный переносной	Переносной оптический микропроцессорный дымомер СМОГ-1М используется для инспекционного контроля дымности отработавших газов дизельных двигателей автомобилей для оценки качества работы их систем питания топливом, выпуска и смазки	пыль

Различают переносные и стационарные измерители пыли. Если для того, чтобы измерить пыль, газоанализаторы устанавливают на стену или внутрь установки, где необходимы постоянные непрерывные функции мониторинга и контроля над концентрацией пыли, то такой вид пылемеров называется стационарными. Если концентрация пыли превысит предельно допустимые нормы, которые установлены для определенного производства, то измеритель или газоанализатор пыли сигнализирует об этом при помощи звуковой и световой систем оповещения. Если пылемер не крепится к стене и его можно использовать в различных точках, в которых происходит выброс пыли, то такие анализаторы пыли считаются переносными. Переносные пылемеры могут использовать в шахтах, на открытой местности, при строительстве объектов (например, железных дорог, мостов, тоннелей и пр.).

Наиболее распространенные модели приборов для измерения концентраций пыли и газообразных примесей в атмосферном воздухе приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 - модели приборов для измерения концентраций пыли и газообразных примесей в атмосферном воздухе
Тип прибора	Метод измерений	Определяемое вещество	Измеряемая концентрация, мг/м^3	Погрешность, %
ППА	Гравитационный (фильтрация)	Аэрозоль	Свыше 1,0	± 20
ПРИЗ	Радиоизотопный (β-излучение)	»	1-500	± 15
ФЭКП	Ленточный фотометр	»	0-4000	± 20
ФЭН-90	Нефелометрический	»	0-300	± 5,0
АЗ-5	Счетчик частиц (регистрация рассеянного света)	»	1-300	± 20
КДМ-1	Пьезоэлектрический	»	0-100	± 8,0
ОА-5501	Оптико-акустический	СО; СН4; СО2	0-4000	± 5,0
ФЛ-5601	Фотоколориметрический	SO2; NH3; NOx; H2S	0-20	± 10
«Атмосфера»	Электрохимический	О3; SO2; H2S	0-15000	-
КУ-3	Кондуктометрический	СО; СО2; пары бензина	0-500	± 5,00
8440	Хемилюминесцентный	NOх	0-5	± 3,0
ГПИ-А	Пламенноионизационный	Углеводороды	0-5	± 1,0