Патент на изобретение №2397801

(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ СБОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для сбора и определения концентрации вредных аэрозольных загрязнений в воздухе. Устройство содержит циклон, состоящий из вихревой камеры с тангенциальным заборным патрубком и камеры осаждения, резервуар сорбирующей жидкости, сборник рециркулирующей сорбирующей жидкости и возвратную трубку для подачи сорбирующей жидкости, собранной в сборнике, в резервуар. Заборный патрубок содержит два цилиндрических канала, расположенных вертикально один под другим и имеющих общее коническое сопло от стороны впуска. Резервуар выполнен в виде съемного картриджа и установлен на внешней стенке циклона. Способ содержит этапы подачи чистой сорбирующей жидкости в картридж; сбора аэрозольных частиц сорбирующей жидкостью; отбора проб сорбирующей жидкости, содержащейся внутри картриджа, измерения уровня загрязнения; слива сорбирующей жидкости из картриджа, когда уровень загрязнения превышает заданное значение; и пополнения картриджа новой порцией чистой сорбирующей жидкости. Этап сбора аэрозольных частиц включает смешивание распыленной сорбирующей жидкости и воздуха в заборном патрубке и подачу смеси в циклон; улавливание аэрозольных частиц пленкой сорбирующей жидкости и ее сбор; направление собранной сорбирующей жидкости в заборный патрубок для повторного смешивания с воздухом. Технический результат: повышение эффективности улавливания аэрозольных частиц и снижение потерь рециркулирующей сорбирующей жидкости. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 6 ил.

Предпосылки изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц, в частности к устройству для сбора аэрозольных частиц, которое использует принцип «мокрого» циклона, собирающего аэрозольные частицы из входного воздушного потока на вращающуюся жидкостную пленку сорбирующей жидкости, и определяет степень загрязнения сорбирующей жидкости, и к способу осуществления этого процесса.

Предшествующий уровень техники

Окружающая воздушная среда обычно содержит во взвешенном состоянии дискретные частицы, такие как микроорганизмы, пыль и т.д. (“аэрозольные частицы”), которые могут вызывать заболевания человека. В частности, воздушная среда людных закрытых пространств, таких как пространства офисных, административных зданий, метро и др., характеризуется высокими концентрациями аэрозольных частиц самой разнообразной природы. Поэтому в целях оперативного контроля крайне необходимо измерять уровень и состав загрязнений атмосферы во внутренних пространствах. Для обеспечения такого контроля необходимо, в первую очередь, осуществить отбор достоверной пробы аэрозольных частиц.

Как известно, для сбора аэрозольных частиц используют такие процессы, как гравитационное и инерционное осаждение, фильтрование, электризация и конденсация.

Главный принцип, используемый для создания современных устройств для сбора аэрозольных частиц, представляет собой осаждение за счет инерционных сил. Существует множество устройств, таких как импинжеры, импакторы и циклоны, которые функционируют на основе принципа инерционного захвата частиц. Этот принцип позволяет очень эффективно и надежно улавливать аэрозольные частицы в широком диапазоне размеров и концентраций как на твердых подложках, так и в жидкой среде.

Известен аэрозольный пробоотборник, имитирующий легкие человека и предназначенный для анализа аэрозольных частиц, всасываемых вместе с внешним воздушным потоком в барботер при помощи вакуумного насоса.

Известны индивидуальный пробоотборник на основе циклона, автоматический пробоотборник пылевидного угля и другие.

Однако известные пробоотборники по существу не собирают аэрозольные частицы в жидкую среду, так как для измерения параметров аэрозольных частиц используют принципы электризации, конденсации или фильтрования. Таким образом, известные пробоотборники не предназначены для сбора аэрозольных частиц в жидкую среду, в результате чего эффективность улавливания и возможности анализа, например микробиологического анализа, как правило, невысоки.

Известно устройство для сбора аэрозольных частиц микробиологического происхождения с использованием циклона. Основной принцип работы устройства основан на инерционном осаждении аэрозольных частиц из вихревого воздушного потока на пленку жидкости, сформированную на внутренней стенке вихревой камеры, путем рециркуляции сорбирующей жидкости. Пленка жидкости поднимается в виде спирали по внутренней стенке собирающей колонны, соосно соединенной с вихревой камерой, и накапливается в резервуаре.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предназначено для решения вышеупомянутых проблем, встречающихся в предшествующем уровне техники, и целью изобретения является получение устройства для сбора аэрозольных частиц, в частности микробов, в жидкую среду, в котором внешний воздух и сорбирующая жидкость эффективно поступают в циклон, причем сорбирующая жидкость многократно используется, при этом и сорбирующая жидкость, в которой собираются микробы, и внешний воздух эффективно разделены друг от друга, чтобы таким образом увеличить эффективности сбора микробов и минимизировать использование сорбирующей жидкости при максимизации жизнеспособности собранных микробов.

Для достижения вышеупомянутых и других целей настоящего изобретения в соответствии с объектом настоящего изобретения предложено устройство для сбора аэрозольных частиц, содержащее: циклон, состоящий из вихревой камеры с тангенциально введенным входным заборным патрубком и камеры осаждения, основание которой соединено с верхней частью вихревой камеры, сборник рециркулирующей сорбирующей жидкости в верхней части циклона, резервуар для сорбирующей жидкости, соединенный при помощи заборного штуцера и возвратной трубки со сборником рециркулирующей жидкости, кроме того, имеющий выходной сливной штуцер; распылитель сорбирующей жидкости с жидкостным эжектором в форме сопла в первом внутреннем канале входного заборного патрубка, причем первый внутренний канал заборного патрубка имеет ступенчатое изменение с меньшим диаметром со стороны входа заборного патрубка и эжекторное сопло для жидкости, расположенное в части внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в точке ступенчатого изменения диаметра и соединенное посредством трубки жидкостного эжектора с резервуаром.

Входной заборный патрубок имеет второй внутренний канал, расположенный над первым; при этом он имеет идентичное ступенчатое изменение с меньшим диаметром от стороны входа заборного патрубка, причем воздушный эжектор в форме сопла расположен в точке ступенчатого изменения диаметра в части канала с большим диаметром и соединен посредством трубки воздушного эжектора с резервуаром.

Оба внутренних канала заборного патрубка соединены общим входным соплом всасывания в форме воронки.

Жидкостное и воздушное эжекторные сопла могут быть сформированы как отверстия во внутренних стенках каналов заборного патрубка; при этом геометрический центр каждого отверстия сопла расположен на расстоянии радиуса такого отверстия от плоскости, которая формирует ступеньку в соответствующем внутреннем канале заборного патрубка.

Вихревая камера может быть сформирована как цилиндр; а камера осаждения выполнена в форме усеченного конуса, большее основание которого соединено с вихревой камерой.

Резервуар может быть выполнен в виде съемного картриджа и устанавливается на внешней стенке циклона.

Сборник может включать сепаратор, расположенный на некотором расстоянии от верхней кромки (среза) камеры осаждения и служащий для разделения воздушной и жидкостной составляющих на срезе циклона, и сборный резервуар для сорбирующей жидкости, выделенной сепаратором и крышкой циклона.

Сепаратор может быть выполнен в форме, кольцеобразно опоясывающей внутреннюю и внешнюю стенки камеры осаждения в ее верхней части.

Верхняя часть сепаратора может быть сформирована как цилиндрический выпускной патрубок, проходящий сквозь крышку циклона и предназначенный для соединения устройства с внешним вакуумным насосом.

По периметру цилиндрического выпускного патрубка под крышкой циклона расположены отверстия для отвода части выходного воздушного потока, попадающего во внутренний объем сборника через зазор между сепаратором и срезом камеры осаждения.

Дно сборного резервуара может быть соединено с возвратной трубкой, причем поверхность дна может иметь наклонную канавку по периметру основания для стока сорбирующей жидкости, при этом нижняя точка канавки расположена в точке соединения с возвратной трубкой.

Датчик для измерения уровня сорбирующей жидкости может быть соединен с выходным сливным патрубком резервуара (картриджа).

Пробоотборная трубка, подающая аликвотную пробу сорбирующей жидкости из картриджа к детектору, который определяет концентрацию аэрозольных частиц, смешанных в сорбирующей жидкости, может быть соединена с выходным сливным патрубком картриджа.

Клапан, регулирующий отбор сорбирующей жидкости, может быть дополнительно установлен на пробоотборной трубке.

Сливная трубка для слива загрязненной сорбирующую жидкость наружу может быть соединена с выходным сливным патрубком картриджа.

Аэрозольными частицами могут быть микробы.

В соответствии с другим объектом настоящего изобретения предложен способ сбора и определения аэрозольных частиц, который включает следующие этапы: подачу внешнего воздуха и сорбирующей жидкости во внутреннее пространство циклона; смешивание внешнего воздуха и распыленной сорбирующей жидкости друг с другом циклоном и центробежное осаждение аэрозольных частиц из вихревого воздушного потока на пленку сорбирующей жидкости; сбор сорбирующей жидкости с содержащимися в ней аэрозольными частицами; диспергирование собранной сорбирующей жидкости для повторного смешивания с внешним воздухом.

Процесс рециркуляции жидкости может осуществляться за счет создания перепадов давлений входящего воздушного потока.

Способ может дополнительно включать этап отбора аликвотной пробы сорбирующей жидкости, направляемой для определения концентрации аэрозольных частиц, уловленных сорбирующей жидкостью.

Способ может дополнительно включать этап измерения уровня сорбирующей жидкости в картридже.

Для достижения вышеупомянутых целей настоящего изобретения предложена система для сбора и определения аэрозольных частиц. Система для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц посредством улавливания аэрозольных частиц сорбирующей жидкостью содержит циклон, в котором заборный патрубок для впрыска сорбирующей жидкости и воздуха установлен тангенциально на внутренней стенке, при этом циклон соединен со средством для откачивания воздуха (вакуумным насосом); резервуар (картридж) для содержания сорбирующей жидкости; сборник, установленный на верхней части циклона для сбора переливающейся через срез пленки сорбирующей жидкости, спиралеобразно подымающейся по внутренней стенке циклона, при этом накапливающаяся сорбирующая жидкость поступает назад в картридж; вспомогательный резервуар, который соединен с картриджем и пополняет потери сорбирующей жидкости в картридже; сливной резервуар, который соединен с картриджем и принимает загрязненную сорбирующую жидкость из картриджа; детектор, который соединен с картриджем и измеряет уровень загрязнения сорбирующей жидкости посредством взятия проб сорбирующей жидкости, содержащейся в картридже.

Система для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц дополнительно содержит датчик уровня, который соединен с картриджем и определяет уровень сорбирующей жидкости внутри картриджа. Датчик уровня может представлять собой мембранный датчик давления.

Трехштуцерный питающий патрубок может быть установлен на верхней части картриджа. Первый входной штуцер питающего патрубка соединен с возвратной трубкой, второй входной штуцер питающего патрубка соединен при помощи питающей трубки со вспомогательным резервуаром и третий входной штуцер питающего патрубка соединен первой контрольной трубкой с верхним входным штуцером датчика уровня.

Трехштуцерный сливной патрубок установлен на нижней части указанного картриджа. Первый выходной штуцер сливного патрубка соединен второй контрольной трубкой с нижним входным штуцером датчика уровня, второй выходной штуцер сливного патрубка соединен пробоотборной трубкой с детектором и третий выходной штуцер сливного патрубка соединен сливной трубкой со сливным резервуаром.

Система для сбора и определения аэрозольных частиц дополнительно содержит микроконтроллер, который управляет работой вакуумного насоса, перистальтического наполняющего насоса, перистальтического сливного насоса и перистальтического пробоотборного насоса в ответ на электрические сигналы от детектора и датчика уровня.

Микроконтроллер содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с датчиком уровня, процессор, соединенный с детектором, ключи, соединенные с перистальтическим наполняющим насосом, перистальтическим сливным насосом и перистальтическим пробоотборным насосом, соответственно; реле, соединенное с вакуум-насосом, клавиатуру управления и дисплей.

Способ сбора и определения аэрозольных частиц содержит этапы подачи чистой сорбирующей жидкости в картридж; сбора аэрозольных частиц из воздуха при помощи сорбирующей жидкости с использованием циклона; отбора проб сорбирующей жидкости, содержащейся внутри картриджа, измерения уровня загрязнения; слива сорбирующей жидкости, содержащейся в картридже, когда уровень загрязнения превышает заданное значение; и пополнения картриджа новой порцией чистой сорбирующей жидкости и промывки внутреннего пространства циклона при помощи чистой сорбирующей жидкости.

Этап сбора аэрозольных частиц содержит операции смешивания распыленной сорбирующей жидкости и воздуха во внутреннем канале заборного патрубка и подачи этой смеси во внутреннее пространство циклона; улавливания аэрозольных частиц на поверхности пленки сорбирующей жидкости и сбора сорбирующей жидкости, содержащей аэрозольные частицы; и повторного направления собранной сорбирующей жидкости для повторного смешивания с воздухом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – общий вид спереди устройства для сбора аэрозольных частиц согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 – вид в разрезе устройства, показанного на Фиг.1, в сечении, выполненном по линии I-I. Стрелки показывают движение потока сорбирующей жидкости в устройстве.

Фиг.3 – общий вид сбоку устройства для сбора аэрозольных частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 – вид в разрезе устройства, показанного на Фиг.3, в сечении, выполненном по линии II-II. Пунктирные стрелки показывают движение воздушного потока в устройстве.

Фиг.5 – общая схема системы для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц, в которой применяется устройство для сбора аэрозольных частиц.

Фиг.6 – блок-схема, поясняющая работу системы для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц.

Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления изобретения

Далее будет описан иллюстративный вариант конструкции устройства для сбора аэрозольных частиц со ссылками на прилагаемые чертежи.

На Фиг.1 показан общий вид спереди устройства для сбора аэрозольных частиц согласно варианту осуществления настоящего изобретения, на Фиг.2 показан вид в разрезе устройства, показанного на Фиг.1, в сечении, выполненном по линии I-I, на Фиг.3 показан общий вид сбоку данного устройства, и на Фиг.4 показан вид в разрезе устройства, показанного на Фиг.3, в сечении, выполненном по линии II-II.

Как показано на Фиг.1, устройство 100 для сбора аэрозольных частиц включает циклон 10, в который внешний воздух поступает через заборный патрубок 16; резервуар (картридж) 20, установленный на внешней стороне циклона 10 для подачи сорбирующей жидкости в циклон 10, и сборник 30, установленный на верхней части циклона 10 для обеспечения рециркуляции сорбирующей жидкости внутри устройства 100.

Возвратная трубка 40 соединена с картриджем 20 через заборный патрубок 26 для подачи сорбирующей жидкости от сборника 30 к картриджу 20.

Как показано на Фиг.2 и 4, циклон 10 включает вихревую камеру 12, имеющую внутри цилиндрическую форму, и камеру 14 осаждения, установленную на верхней части вихревой камеры 12 и выполненную в виде усеченного конуса. Во внутреннем объеме циклона 10 создается отрицательный перепад давления вакуумным насосом, который формирует спиральный вихревой поток воздуха внутри циклона и спиральную полосу пленки жидкости непосредственно на внутренней стенке циклона 10. Величина перепада давления задана так, чтобы полоса пленки жидкости могла достигать верхнего среза камеры 14 осаждения и переливаться, входя в сборник 30.

Заборный патрубок 16 расположен в вихревой камере 12 таким образом, что его выходной срез образует касательное (тангенциальное) соединение с окружностью поперечного сечения вихревой камеры 12; при этом выходной срез имеет плоскую вертикально форму с отверстиями выходных форсунок двух независимых каналов 162 и 164 (Фиг.4). Со стороны входа заборного патрубка 16 оба канала 162 и 164 объединяются в общее входное коническое сопло 163, через которое внешний воздух всасывается в устройство 100. Оба канала 162 и 164 выполнены идентично в форме цилиндрических трубок со ступенчатым увеличением диаметра канала вблизи их входа во внутреннюю область вихревой камеры 12. В точке ступенчатого изменения диаметра расположены отверстия сопел; верхний воздушный эжектор 161 и нижний жидкостный эжектор 165, соединенные при помощи эжекторных трубок 22 и 24, соответственно, с внутренней областью картриджа 20 (Фиг.2).

Картридж 20 установлен с возможностью отсоединения на внешней стороне вихревой камеры 12 циклона 10 и заполнен сорбирующей жидкостью для сбора аэрозольных частиц, присутствующих в отобранной пробе внешнего воздуха. Например, картридж 20 может быть с защелкиванием установлен на циклоне 10.

Картридж 20 соединен с другими узлами устройства 100 при помощи трехштуцерных питающего патрубка 26 и сливного патрубка 28 (Фиг.2).

Первый штуцер питающего патрубка 26 соединен с возвратной трубкой 40, второй штуцер – с подающей трубкой 50, которая через электрический вентиль V1 соединяет картридж 20 с внешним резервуаром для свежей сорбирующей жидкости (не показан на Фиг.1-4). Этот резервуар служит для периодического пополнения сорбирующей жидкости в картридже 20, утерянной в результате испарения и отбора проб для детектора.

Всасывающая эжекторная трубка 24 для подачи сорбирующей жидкости в циклон 10 проходит через боковую стенку картриджа 20. Сорбирующая жидкость, всасываемая через эжекторную всасывающую трубку 24, проходит в эжекторное сопло 165 для жидкости заборного патрубка 16, распыляется под действием отрицательного перепада давления, возникающего в области ступенчатого изменения диаметра канала 164 при засасывании входного воздушного потока. Всасывающая эжекторная трубка 24 проходит с изгибом вниз в пространство резервуара таким образом, чтобы передавать сорбирующую жидкость, даже когда уровень сорбирующей жидкости снижен.

Пробоотборная трубка 60 установлена на первом штуцере выходного сливного патрубка 28 для подачи аликвотных проб сорбирующей жидкости в детектор (не показан на Фиг.1-4). Детектор определяет концентрацию аэрозольных частиц в сорбирующей жидкости. Клапан V2 для регулирования объема аликвотных проб сорбирующей жидкости, подаваемой в детектор, может быть установлен на пробоотборной трубке 60.

Сливная трубка 80 установлена на втором штуцере выходного сливного патрубка 28 таким образом, чтобы выпускать загрязненную сорбирующую жидкость из картриджа 20 в емкость для отходов (не показана на Фиг.1-4). Клапан V3 для регулирования объема отходов сорбирующей жидкости может быть установлен на сливной трубке 80.

Кроме того, датчик SP измерения уровня сорбирующей жидкости в картридже может быть установлен с использованием трубки 70 и третьего штуцера сливного патрубка 28 в картридже 20. Для этого может использоваться датчик давления.

Сборник 30 включает сборный резервуар 32, установленный на камеру 14 осаждения циклона 10, сепаратор 34, расположенный так, что отстоит с некоторым зазором от верхнего среза камеры 14 осаждения циклона 10, и крышку 36 для герметизации внутреннего объема сборного резервуара 32. Верхняя часть сепаратора 32 имеет форму цилиндрического выпускного патрубка, проходящего через крышку 36 циклона 10 и предназначенного для соединения устройства 100 с внешним вакуумным насосом (не показан на Фиг.1-4).

По периметру цилиндрического выпускного патрубка под крышкой 36 циклона 10 расположены отверстия 38 для пропускания воздушного потока, входящего во внутреннее пространство сборника 30 через зазор сепаратора 34 (Фиг.4).

Сборный резервуар 32 предназначен для сбора пленки сорбирующей жидкости, текущей по поверхности стенки камеры 14 осаждения и переливающейся через ее верхний срез. Поверхность дна сборного резервуара 32 имеет расположенную по периметру наклонную канавку для сбора сорбирующей жидкости в точке соединения с возвратной трубкой 40 с целью предотвращения накопления сорбирующей жидкости в резервуаре 32.

Сепаратор 34 предотвращает разбрызгивание вверх сорбирующей жидкости на срезе камеры 14 осаждения. Сепаратор 34 может быть сформирован таким образом, чтобы он кольцеобразно окружал внутреннюю и внешнюю стенки камеры 14 осаждения в ее верхней части.

Возвратная трубка 40 соединена с дном сборного резервуара 32 и через питающий патрубок 26 с верхней стенкой картриджа 20.

Далее будет описана со ссылками на Фиг.2 и 4 работа устройства для сбора аэрозольных частиц, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.

Вакуумный насос, соединенный с выпускным патрубком сепаратора 34, включается и начинает прокачивать воздух через циклон 10. Поток аэрозоля проходит через заборный патрубок 16 будучи разделенным на 2 потока внутренними каналами 162 и 164 и входит в вихревую камеру 12.

Сопло 165 во внутреннем канале 164 заборного патрубка 16, расположенное в области ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала, действует как эжекторный элемент, поскольку ступень во внутреннем канале обусловливает значительное понижение давления воздуха над соплом, в результате чего жидкость всасывается из картриджа 20 по эжекционной трубке 24. Энергия воздушного потока, всасываемого в канал 164, вызывает распыление всасываемой струи жидкости в эжекторном сопле 165, создавая таким образом жидкокапельный аэрозольный поток. Следовательно, в области выходного среза канала 164 заборного патрубка 16 наблюдается взаимодействие двух движущихся друг к другу потоков: всасываемого воздуха и жидкокапельного аэрозоля, в результате чего происходит осаждение аэрозольных частиц из входного воздушного потока на поверхности более крупных частиц жидкокапельного аэрозольного потока, что обеспечивает повышение общей эффективности улавливания устройства 100, поскольку этот процесс начинается непосредственно в канале 164 заборного патрубка 16.

Так как заборный патрубок 16 входит в вихревую камеру 12 тангенциально, в камере образуется аэрогидрораспыленный вихревой поток, жидкостная составляющая которого осаждается на внутренней поверхности камеры и формирует непрерывную вращающуюся пленку сорбирующей жидкости. Отрицательное давление в устройстве, создаваемое внешним вакуумным насосом, обусловливает восхождение пленки жидкости по внутренней стенке камеры 14 осаждения в форме широкой спиральной полосы, как показано на Фиг.2. При надлежащем подборе соотношения объемного расхода входного воздушного потока, геометрических размеров заборного патрубка 16, вихревой камеры 12 и камеры 14 осаждения циклона 10 спиральная полоса жидкости достигает верха камеры 14 осаждения и плавно переливается через край в сборник 30 и затем по возвратной трубке 40 поступает в картридж 20, таким образом, обеспечивая непрерывную рециркуляцию сорбирующей жидкости в устройстве 100.

Воздушный вихревой поток под действием отрицательной разности давлений внутри циклона 10 также поднимается в форме спирального потока, вращаясь вокруг оси циклона, как показано на Фиг.4. Из-за значительной разности в плотности и вязкости воздуха и жидкости скорость вращения и число оборотов двух спиральных потоков – воздушного потока и жидкостного потока – значительно отличаются друг от друга.

Основной процесс осаждения аэрозольных частиц из воздушного потока регулируется двумя механизмами.

В верхней части вихревой камеры 12 и в нижней части камеры 14 осаждения осаждение главным образом обеспечивается соударением (импакцией) частиц с поверхностью сформированной пленки жидкости. Другой механизм осаждения определяется тангенциальной составляющей скорости вращения вихря в циклоне 10. Под действием центробежных сил аэрозольные частицы отбрасываются на стенки циклона, где их захватывает вращающаяся пленка жидкости. Чем большей будет тангенциальная составляющая скорости вращения, тем больше будут центробежные силы, и, в результате, устройство будет способно захватывать аэрозольные частицы меньшего диаметра. Для поддержания постоянной величины этой составляющей камера 14 осаждения выполнена в форме усеченного конуса по оси вихря.

Как упоминалось выше, сорбирующая жидкость, собранная на дне сборного резервуара 32, стекает по наклонной канавке к местонахождению возвратной трубки 40, входит в сборник 30 и затем проходит в картридж 20. Если сорбирующая жидкость течет самотеком под действием силы тяжести, рециркулирующая жидкость накапливается на дне сборного резервуара 32, таким образом, вызывая непредсказуемые потери жидкости и погрешности в оценке пробы.

Для устранения этого недостатка второй верхний внутренний воздушный канал 162 заборного патрубка 16 соединен с эжекторной воздушной трубкой 22 при помощи верхнего сопла 161.

За счет энергии входного воздушного потока в воздушном канале 162 из заборного патрубка 16 и ступени в диаметрах канала 162 возникает отрицательная разность давлений в эжекторной трубке 22 и в верхнем воздушном объеме картриджа 20 в точке соединения питающего патрубка 26 и, таким образом, в возвратной трубке 40 создается принудительное всасывание рециркулирующей жидкости из сборного резервуара 32 в картридж 20, за счет чего предотвращается ее накопление.

Конструкция выходного среза заборного патрубка 16 за счет использования двух вертикально расположенных один под другим каналов 162 и 164 имеет плоскую форму, близкую к прямоугольной, обеспечивающую лучшее улавливание аэрозоля, согласно теории циклонов. Следовательно, эта конструкция позволяет обеспечить узкую и плоскую структуру вращающегося воздушного потока внутри циклона 10. Эта структура потока, согласно теории циклонов, обеспечивает лучший захват аэрозольных частиц из воздушного потока.

Кроме того, в устройство 100 введен сепаратор 34 воздушного и жидкостного потоков, который разделяет оба потока вблизи верхнего среза камеры 14 осаждения циклона 10, таким образом, предотвращая срыв капель рециркулирующей жидкости со среза за счет энергии воздуха, находящегося раньше по ходу потока. Сепаратор 34 опоясывает верхний срез камеры 14 осаждения с определенным зазором, причем величина зазора подбирается с учетом обеспечения плавного перелива рециркулирующей жидкости через верхний срез камеры 14 осаждения без образования капель.

Небольшая часть выходного воздушного потока, проходящего через зазор сепаратора 34, возвращается в общий выходной воздушный поток через боковые отверстия 38 в стенке выпускного патрубка сепаратора 32.

Для взятия проб сорбирующей жидкости для анализа состава и концентрации отобранного аэрозоля открывается на определенное время пробоотборный клапан V2, установленный в пробоотборной трубке 60. Для обеспечения непрерывного действия устройства, в частности с целью пополнения сорбирующей жидкости в картридже 20, открывается клапан V1, установленный в подводящей трубке 50, и заданный объем свежей сорбирующей жидкости поставляется в картридж 20 из внешнего резервуара (не показан на чертеже). После завершения работы устройства загрязненная сорбирующая жидкость из картриджа 20 сливается через сливную трубку 80 после включения клапана V3.

Контроль уровня сорбирующей жидкости в картридже 20 осуществляется при помощи датчика SP уровня, соединенного через трубку 70 и сливной патрубок 28 с дном картриджа 20. Этот датчик преобразует величину столба жидкости в картридже в пропорциональный электрический сигнал. Оценка степени загрязнения жидкости в картридже может осуществляться непосредственно детектором в ходе анализа аликвотных проб сорбирующей жидкости.

На Фиг.5 показана обобщенная схема системы для сбора и определения аэрозольных частиц с использованием устройства для сбора аэрозольных частиц, описанного выше.

Как показано на Фиг.5, система 200 для сбора и определения аэрозольных частиц, соответствующая варианту осуществления настоящего изобретения, содержит устройство 100 для сбора аэрозольных частиц, вспомогательный резервуар 110, сливной резервуар 120, микробиологический детектор 130, датчик SP 90 уровня и микроконтроллер 140.

Перистальтический заполняющий насос 52, перистальтический пробоотборный насос 62 и перистальтический сливной насос 82 установлены на питающей трубке 50, пробоотборной трубке 60 и сливной трубке 80 соответственно. Если уровень сорбирующей жидкости в картридже 20 падает, вспомогательный резервуар 110 поддерживает этот уровень посредством подачи чистой сорбирующей жидкости в картридж 20. Вспомогательный резервуар 110 соединен с картриджем 20 через питающую трубку 50. Перистальтический заполняющий насос 52, установленный на питающей трубке 50, подает сорбирующую жидкость из вспомогательного резервуара 110 в картридж 20.

Сливной резервуар 120 соединен с картриджем 20 через сливную трубку 80, и он принимает загрязненную сорбирующую жидкость из картриджа 20, когда загрязнение сорбирующей жидкости достигает определенного уровня. Перистальтический сливной насос 82, установленный на сливной трубке 80, подает загрязненную сорбирующую жидкость из картриджа 20 в сливной резервуар 120.

Микробиологический детектор 130 берет пробу загрязненной сорбирующей жидкости в картридже 20 и измеряет уровень загрязнения сорбирующей жидкости микробами вне зависимости от их видовой принадлежности. Микробиологический детектор 130 соединен с картриджем 20 через пробоотборную трубку 60 и перистальтический пробоотборный насос 62, установленный на пробоотборной трубке 60, для подачи аликвотной пробы загрязненной сорбирующей жидкости из картриджа 20 в микробиологический детектор 130.

Кроме того, датчик 90 уровня определяет уровень сорбирующей жидкости в картридже 20. Первый входной штуцер датчика 90 уровня соединен с верхней частью картриджа 20 при помощи первой контрольной трубки 91, а второй входной штуцер соединен с нижней частью картриджа 20 при помощи второй контрольной трубки 70. Мембранный датчик давления может использоваться в качестве датчика SP 90 уровня.

Микроконтроллер 140 управляет работой перистальтического заполнительного насоса 52, перистальтического пробоотборного насоса 62, перистальтического сливного насоса 82 и вакуумного насоса 150, который является средством прокачки воздуха через устройство 100, в ответ на электрические сигналы от датчика 90 уровня и детектора 130. Микроконтроллер 140 содержит аналого-цифровой преобразователь 141, процессор 142, ключи 143, реле 144, клавиатуру 145 для ручного ввода команд и дисплей 146.

Аналого-цифровой преобразователь 141 соединен с указанным датчиком 90 уровня и преобразует электрические сигналы от датчика 90 уровня в цифровой код. Процессор 142 выдает команды в соответствующий узел устройства согласно результатам измерений уровня загрязнения, выполненных микробиологическим детектором 130. Ключи 143 соединены с перистальтическим заполнительным насосом 52, перистальтическим сливным насосом 82 и перистальтическим пробоотборным насосом 62 и включают/выключают перистальтический заполнительный насос 52, сливной насос 82 и перистальтический пробоотборный насос 62 в соответствии с командами процессора 142. Реле 144 соединено с вакуумным насосом 150 и включает/выключает вакуумный насос 150 в соответствии с командой процессора 142.

На Фиг.6 показана блок-схема последовательности операций, поясняющая действие системы сбора и определения концентрации аэрозольных частиц.

Как показано на Фиг.5 и 6, при нажатии вручную кнопки команды “Старт” на клавиатуре микроконтроллер 140 приводит в действие перистальтический заполнительный насос 52 и наполняет пустой картридж 20 чистой сорбирующей жидкостью. При достижении заданного уровня жидкости в картридже перистальтический заполнительный насос 52 отключается (S1).

После того как перистальтический заполнительный насос 52 прекращает работу, осуществляется краткий период ожидания для стабилизации системы. Затем микроконтроллер 140 приводит в действие вакуумный насос 150 и приводит в действие устройство 100 сбора. Аэрозольные частицы из воздуха захватываются сорбирующей жидкостью при работе устройства 100. Устройство 100 прекращает работу после заданного времени одного цикла отбора пробы воздуха (например, 10 минут) (S2).

После того как устройство 100 прекратило работу, осуществляется краткий период ожидания для стабилизации системы. Затем микроконтроллер 140 приводит в действие перистальтический пробоотборный насос 62 для отбора аликвотной пробы загрязненной сорбирующей жидкости, содержащейся в картридже 20, и направляет ее в микробиологический детектор 130 (S3).

Тем временем датчик уровня 90 определяет текущий уровень сорбирующей жидкости в картридже 20 и посылает данные результата измерения в процессор 142. Если результат измерения ниже, чем заданное значение, процессор 142 приводит в действие перистальтический заполнительный насос 52 при помощи ключа 143 и подает чистую сорбирующую жидкость из вспомогательного резервуара 110 в картридж 20 (S4).

Микробиологический детектор 130 измеряет уровень загрязнения пробы сорбирующей жидкости и направляет результат измерения в процессор 142. Процессор 142 определяет, равен ли результат измерения уровня загрязнения отбираемой сорбирующей жидкости заданному предельному значению или выше него (S5).

Если уровень загрязнения сорбирующей жидкости равен или выше, чем заданное значение, процессор 142 приводит в действие перистальтический сливной насос 82 с использованием ключа 143 и подает всю сорбирующую жидкость из картриджа 20 в сливной резервуар 120 (S6). Если уровень загрязнения сорбирующей жидкости ниже, чем заданное значение, процессор 142 будет повторять цикл отбора проб воздуха устройством 100, пока уровень загрязнения отбираемой сорбирующей жидкости не достигнет заданного предельного значения.

Когда вся сорбирующая жидкость в картридже 20 полностью слита, микроконтроллер 140 приводит в действие перистальтический заполнительный насос 52 и подает некоторое количество чистой сорбирующей жидкости в картридж 20. Количество сорбирующей жидкости, поданной в это время, предназначено для промывки устройства 100. Когда сорбирующая жидкость залита в картридж 20, микроконтроллер 140 приводит в действие вакуумный насос 150 (S7). После очистки устройства 100 в течение некоторого времени микроконтроллер 140 выключает вакуумный насос 150 и включает перистальтический сливной насос 82 для слива сорбирующей жидкости для очистки и, таким образом, завершается работа системы 200 для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц.

Система для сбора и определения аэрозольных частиц, описанная выше, позволяет пользователям автоматически собирать и определять находящиеся в воздухе аэрозольные частицы в удобной форме.

Хотя был описан иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения для иллюстративных целей, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные модификации, добавления и замены без отхода от объема и сущности изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство для сбора аэрозольных частиц, содержащее циклон, в который через заборный патрубок вводятся внешний воздух и сорбирующая жидкость, для отбора аэрозольных частиц, содержащихся во внешнем воздухе, сорбирующей жидкостью; резервуар, содержащий сорбирующую жидкость, которая распыляется в циклон; сборник, собирающий пленку сорбирующей жидкости, текущей по внутренней стенке циклона; и возвратную трубку, проводящую сорбирующую жидкость, собранную в сборнике, в резервуар, при этом заборный патрубок содержит два идентичных цилиндрических канала, расположенных вертикально один под другим и имеющих общее коническое сопло от стороны впуска.

2. Устройство по п.1, в котором циклон состоит из вихревой камеры и камеры осаждения.

3. Устройство по п.2, в котором вихревая камера внутри имеет форму цилиндра.

4. Устройство по п.2, в котором камера осаждения имеет форму усеченного конуса, нижняя часть которого соосно соединена с верхним срезом вихревой камеры.

5. Устройство по п.3, в котором заборный патрубок тангенциально соединен с внутренним диаметром вихревой камеры.

6. Устройство по п.1, в котором каждый канал имеет цилиндрическую форму со ступенчатым увеличением диаметра вблизи выходного среза.

7. Устройство по п.6, в котором в каждом канале в месте ступенчатого изменения диаметра от стороны большего диаметра расположено отверстие – эжекторное сопло; в верхнем канале – сопло воздушного эжектора и в нижнем – сопло жидкостного эжектора.

8. Устройство по п.1, в котором резервуар образован картриджем с возможностью отделения, установленным на внешней стенке циклона.

9. Устройство по п.1, в котором сборник содержит сепаратор, расположенный так, что отстоит от верхней части камеры осаждения циклона, для разделения жидкостного и воздушного потоков, движущихся внутри циклона; и сборный резервуар, собирающий сорбирующую жидкость, отделенную сепаратором.

10. Устройство по п.9, в котором сепаратор выполнен в форме, кольцеобразно окружающей внутреннюю и внешнюю стенки камеры осаждения циклона в ее верхней части.

11. Устройство по п.9, в котором возвратная трубка соединена с донной поверхностью сборного резервуара, в донной поверхности которого имеется наклонная спиралеобразная канавка, нижняя точка которой расположена в точке присоединения возвратной трубки.

12. Устройство по п.8, в котором в крышку картриджа введен питающий патрубок с тремя входными штуцерами.

13. Устройство по п.12, в котором первый штуцер питающего патрубка через возвратную трубку соединен с донной поверхностью сборного резервуара.

14. Устройство по п.12, в котором второй штуцер питающего патрубка соединен с питающей трубкой для чистой сорбирующей жидкости, подаваемой в картридж.

15. Устройство по п.14, в котором клапан, регулирующий приток сорбирующей жидкости из внешнего резервуара для чистой сорбирующей жидкости в картридж, может быть дополнительно установлен на питающей трубке.

16. Устройство по п.8, в котором в нижнюю поверхность картриджа введен сливной патрубок, имеющий три выходных штуцера.

17. Устройство по п.16, в котором пробоотборная трубка, подающая аликвотную пробу сорбирующей жидкости в детектор, определяющий концентрацию аэрозольных частиц, собранных сорбирующей жидкостью, соединена с первым штуцером сливного патрубка.

18. Устройство по п.17, в котором детектор для измерения уровня сорбирующей жидкости соединен с пробоотборной трубкой.

19. Устройство по п.18, в котором клапан, регулирующий истечение сорбирующей жидкости в детекторе, может быть дополнительно установлен на пробоотборной трубке.

20. Устройство по п.16, в котором сливная трубка, выпускающая сорбирующую жидкость, соединена со вторым штуцером сливного патрубка.

21. Устройство по п.20, в котором клапан, регулирующий истечение сорбирующей жидкости в емкость для отходов, может быть дополнительно установлен на сливной трубке.

22. Устройство по п.1, в котором аэрозольными частицами являются микробы.

23. Способ сбора аэрозольных частиц, содержащий этапы подачи внешнего воздуха и сорбирующей жидкости через заборный патрубок во внутреннее пространство циклона; смешивания внешнего воздуха и распыленной сорбирующей жидкости друг с другом циклоном и улавливания аэрозольных частиц, содержащихся во внешнем воздухе, пленкой сорбирующей жидкости, образованной на внутренней стенке циклона; сбора пленки сорбирующей жидкости, в которой собраны аэрозольные частицы; и распыления и повторного смешивания сорбирующей жидкости с входным воздушным потоком в заборном патрубке, при этом заборный патрубок содержит два идентичных цилиндрических канала, расположенных вертикально один под другим и имеющих общее коническое сопло от стороны впуска.

24. Способ по п.23, в котором этап подачи и распыления сорбирующей жидкости осуществляется за счет перепада давлений воздушного потока, созданного внутри канала заборного патрубка.

25. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап отбора аликвотной пробы сорбирующей жидкости, подаваемой для определения концентрации аэрозольных частиц, собранных сорбирующей жидкостью.

26. Способ по п.23, дополнительно содержащий этап измерения уровня и степени загрязнения сорбирующей жидкости в резервуаре.

27. Система для сбора и определения концентрации аэрозольных частиц посредством улавливания аэрозольных частиц сорбирующей жидкостью, содержащая циклон, в котором осуществляется вихревое смешивание входного воздушного потока и мелкокапельного потока сорбирующей жидкости и осаждение аэрозольных частиц из воздушного потока на поверхность сформированной на внутренней поверхности циклона жидкостной пленки, подъем и перелив жидкостной пленки через верхний срез циклона, который соединен со средством для прокачивания воздуха; резервуар для содержания сорбирующей жидкости, всасываемой в циклон; сборник, установленный на верхней части циклона, который собирает пленку сорбирующей жидкости, проходящую по внутренней стенке камеры циклона, и направляет сорбирующую жидкость назад в резервуар; вспомогательный резервуар, который соединен с резервуаром и пополняет сорбирующую жидкость, убывающую в резервуаре; сливной резервуар, который соединен с резервуаром и принимает сорбирующую жидкость, содержащуюся в резервуаре; и детектор, который соединен с резервуаром для содержания сорбирующей жидкости и измеряет уровень загрязнения сорбирующей жидкости посредством взятия проб сорбирующей жидкости, содержащейся в резервуаре для содержания сорбирующей жидкости.

28. Система по п.27, дополнительно содержащая датчик уровня, который соединен с резервуаром для содержания сорбирующей жидкости и определяет уровень сорбирующей жидкости в резервуаре.

29. Система по п.28, в которой датчик уровня представляет собой мембранный датчик давления.

30. Система по п.28, в которой третий входной штуцер питающего патрубка соединен с первой контрольной трубкой, которая соединена с верхним штуцером датчика уровня.

31. Система по п.28, в которой третий выходной штуцер сливного патрубка соединен со второй контрольной трубкой, соединенной с нижним штуцером датчика уровня.

32. Система по п.28, дополнительно содержащая микроконтроллер, который управляет работой средства прокачки воздуха, перистальтического наполняющего насоса, перистальтического сливного насоса и перистальтического пробоотборного насоса в ответ на электрические сигналы от детектора и датчика уровня.

33. Система по п.32, в которой микроконтроллер содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с датчиком уровня, процессор, соединенный с детектором, ключи, соединенные с перистальтическим наполняющим насосом, перистальтическим сливным насосом и перистальтическим пробоотборным насосом соответственно, реле, соединенное со средством прокачки воздуха, устройство ввода и дисплей.

34. Способ сбора и определения концентрации аэрозольных частиц, содержащий этапы подачи сорбирующей жидкости в резервуар; сбора аэрозольных частиц из воздуха при помощи сорбирующей жидкости с использованием циклона; отбора проб сорбирующей жидкости, содержащейся внутри резервуара, для измерения уровня загрязнения; слива сорбирующей жидкости, содержащейся в резервуаре, когда уровень загрязнения превышает заданное значение; и пополнения новой сорбирующей жидкости в резервуар и очистки внутреннего пространства при помощи новой сорбирующей жидкости, при этом внешний воздух проходит через заборный патрубок в циклон, а заборный патрубок содержит два идентичных цилиндрических канала, расположенных вертикально один под другим и имеющих общее коническое сопло от стороны впуска.

35. Способ по п.34, в котором этап сбора аэрозольных частиц включает этапы смешивания сорбирующей жидкости и воздуха при помощи заборного патрубка и подачи смеси во внутреннее пространство циклона; улавливания аэрозольных частиц сорбирующей жидкостью и сбора сорбирующей жидкости, которая содержит аэрозольные частицы; и повторного направления собранной сорбирующей жидкости в заборный патрубок для повторного смешивания с воздухом.

36. Способ по п.34, дополнительно содержащий этап измерения уровня сорбирующей жидкости в резервуаре и подачи дополнительной сорбирующей жидкости в резервуар, когда уровень снижен.

РИСУНКИ