Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере и устройство для его осуществления

(51)5 0 01 ЧЧ 1/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт молекулярной биологии Научнопроизводственного объединения "Вектор" (72) Т.С.Бакиров, В.И,Бородулин, Г,А.Тенсин и А,С,фролов(56) А.И.Бородулин, Оценка статистических характеристик концентрации и дозы при моделировании распространения аэрозолей в приземном слое атмосферы, Дисс, канд. техн, наук, специальность 03,00,23 "Биотехнология". - Новосибирск, 1986, - с.183.У,сЬсава, Н.ЯЬКма, Я.НзЫпогпуа "А Сацззап Тга)естогу АсгпозрЬегс ОЛнзоп гпобе аког Соврех Теггаи арап Яос. Аг. Роцт, - 21(2), р, 104 - 114 (1980),(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ Предлагаемые технические решения относятся к средствам и способам контроля за состоянием атмосферы и могут быть использованы для оценки ареала распространения мелкодисперсных аэрозолей и различных примесей в атмосфере, например, с целью оптимизации технологии обработки растений биологическими препаратами в аэрозольной форме,Известен способ измерения коэффициента турбулентной диффузии (КТД), включающий дискретное измерение компонент скоро "ти ветра в одной точке пространства в разные моментв времени (Эйлеров подход к решению задачи) и вычисление функции . корреляции компонент пульсации скорости (Ч) ветра 1. Коэффициент турбулентной диффузии (К) определяют по формуле;.Ы 2 1764016 А 1 АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование; контроль за состоянием атмосферы; для оценки ореала распространения аэрозолей, Сущность изобретения: способ включает формирование теплового факела трассера, определение ширины факела трассера в разных его сечениях, измерение скорости перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии по соответствующей формуле, Устройство содержит точечный формирователь факела трассера в виде нагревательного элемента, измеритель скорости распространения факела трассера в воздушном потоке и узлы измерения ширины факела трассера, включающие точечные и линейные датчики температуры, которые подсоединены к блоку питания и через цифровую или аналоговую систему обработки сигналов - к регистрирующему прибору, 5 ил,К = - " Х," Ч(т ) Ч( + т) бО г, (1)То огде Ч (т) = Ч(т) - Ч - отклонение скорости ветра от его среднего значения в момент времени т;Ч(е+ г) = Ч(т+ т) - Ч - то же для момента времени т+ х,Т - общее время измерения.Известно устройство для реализации описанного выше способа, которое включает акустический генератор, пьезодатчик, устройство для записи сигналов на магнитную ленту (магнитофон) и ЭВМ (1). С помощью акустического генератора и пьезодатчика через определенные промежутки времени измеряются компоненты скорости ветра и в цифровом коде записываются на магнитную ленту магнитофона. После накопления достаточно большого массива данных, послед40 коэффициента турбулентной диффузии 2, включающее источник радиоактивной примеси, используемый в качестве трассера, измеритель ширины факела следа трассера, представляющий собой ряд пробоотборни 45 ков воздуха, установленных в нескольких точках в каждом сечении факела следа трассера, измеритель скорости потока и счетчик радиоактивного излучения для измерения концентрации радиоактивного излучения в 50 указанных точках, Значения концентрации примеси в нескольких точках аппроксимируются по нормальному закону и затем вычисляется значение КТД по формуле 2,Недостатком прототипов, как способа,так и устройства является недостаточная 55 производительность вследствие необходимости измерения концентрации трассеров во многих точках в разных сечениях факела трассера, что требует длительного времени ние передаются на ЭВМ, где вычисляетсяКТД по формуле (1).Недостатком способа и устройства является низкая производительность из-задлительного измерения и накопления значений скорости ветра и последующего вычисления функции корреляции вследствиедискретного измерения скорости потока водной точке пространства в разные моменты времени, По оценочным данным требуется от 10 до 8.10 значений скорости потокадля вычисления одного значения КТД. Таким образом технические решения имеютнизкую производительность т,к, не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой 15форме данных о величине КТД, напримердля принятия решения в полевых условияхо выборе оптимального режима авиационной обработки растений биопрепаратами ваэрозольной форме. Кроме того, устройство 20имеет сложную измерительную часть, которая ненадежна в эксплуатации в полевыхусловиях.Наиболее близким способом-прототипом является способ измерения коэффициейта турбулентной диффузии 2),включающий формирование следа трассера; Определение ширины (г 1 и ст 2 факеласледа трассера в разных его сечениях, расположенных на расстоянии (Д) друг от друга 30перпендикулярно направлению перемещения следа трассера и вычисление КТД поформуле:01 +02 02 У 1(2)2 0 35В качестве трассера используют радиоактивную газовую добавку,Наиболее близким устройством-прототипом является устройство для измерения измерения и накопления данных для вычисления КТД. Цля вычисления одного КТД требуется 10 - 10 значений концентрации4трассера. Таким образом, технические решения имеют низкую производительность т.к, не обеспечивают оперативную выдачу в аналоговой форме данных о величине КТД, например, для принятия решения в полевых условиях о выборе оптимального режима авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме, Кроме того, способ предусматривает использование разнородной по принципудействия аппаратуры и измеряемых физических величин, что затрудняет возможность его автоматизации в полевых условиях.Целью изобретения является повышение производительности определения КТД.Указанная цель достигается следующей совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления, Способ определения КТД включает формирование факела трассера, определение ширины ц факела трассера в двух его сечениях, расположенных на расстоянии Д) друг от друга перпендикулярно оси факела трассера, измерение скорости (Ч) перемещения факела трассера и вычисление коэффициента турбулентной диффузии (К) по формуле:Д 1 + а О 2 - О 12 ОВ качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии. В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей сРВДы ЛТл и ать соотВетстВенно на линейном участке длинойи в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения:1 ЛТлс = (3) По сравнению с прототипом, новым в предлагаемом способе является то, что в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии, В каждом из двух сечений факела трассера определяют изменение температуры воздушного потока относительно окру- ЖаЮЩЕЙ СРЕДЫ ЬТл 1 И ЛТТЬ СоотВЕтСтВЕННО на линейном участке длинойи в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из выражения:1 ЛТл72 Л ТУстройство для определения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере включает точечный формирователь факела трассера, измеритель скоростираспространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные на измеренном расстоянии друг от друга, и блок регистрации и обработки, формирователь трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой. Нагревательный элемент, точечные термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой,Новыми по сравнению с прототипом является следующие признаки устройства. Формирователь факела трассера выполнен в виде нагревательного элемента, каждый узел измерения ширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометра сопротивления, длина проволок которых равны между собой. Нагревательный элемент, точечные термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой. Протяженные сопротивления расположены перпендикулярно к этОЙ прямоЙ,Новые признаки способа и устройства обладают по сравнению с аналогами в области измерения КТД неизвестными ранее техническими свойствами, которые заключаются в обеспечении возможности использования такого трассера, измерение концентрации которого осуществляется однотипными приборами, позволяющими упростить процесс автоматизации измерения КТД, а данные измерения КТД представить в аналоговой форме за счет усреднения изменения концентрации трассера в разных точках сечений факела трассера.На фиг, 1 изображена схема устройства для измерения КТД веществ в воздушном потоке.На фиг. 2 приведена аналоговая система обработки сигналов при вычислении КТД.Устройство для осуществления способа измерения КТД веществ в воздушном потоке содержит точечный источник трассера и измеритель скорости распространения трассера в воздушном потоке, выполненные в виде одного проволочного нагревательного элемента 1, свернутого в спираль, Каждый узел измерения ширины факела трассера содержит точечные 2, 3, 4 и протяженные 5,6 термометры сопротивления, выполненные в виде проволочных элементов одинаковой длины. Точечные термометры 2, 3, 4 свернуты в спираль, а протяженные термометры 5, 6 - растянуты на изолированных опорах 7. Термометр 2 установлен перед нагревательным элементом 1, а термометры 3, 4 - последовательно за нагревательным элементом 1, на одинако вом расстоянии. Протяженные термометры5, 6 размещены соответственно в паре с точечными термометрами 3, 4 и образуют узлы измерения. Термометр 3 расположен в одной плоскости сечения А-А факела трас сера с термометром 5, а термометр 4 - соответственно в плоскости сечения Б-Б факела трассера с термометром 6, Причем, термометр 3 установлен в средней части проволочного элемента термометра 5, а 15 термометр 4 - в средней части проволочногоэлемента термометра 6. Проволочные элементы термометров 5, 6 ориентированы перпендикулярно оси расположения термометров 1-6. Кроме того, проволочные эле менты термометров 1 - 6 подсоединены кблоку питания 8 и через блок 9 обработки сигналов - к регистрирующему прибору 10.Блок 9 обработки сигналов может быть выполнен на основе микропроцесса или ана логовой системы обработки сигналов.Способ измерения КТД веществ в воздушном потоке осуществляют следующим образом. На нагревательный элемент 1 и термометры 2 - 6 подается напряжение с 30 блока питания 8. Элемент 1 нагревает воздушный поток, вследствие чего формируется тепловой факел трассера, Поток тепла диффундирует, в соответствии со степенью турбулентности набегающего воздушного 35 потока, в поперечном и продольном направлениях. Протяженный термометр 5 изменяет свое электрическое Л Вл 1 сопротивление пропорционально амплитудному значению изменения температуры (ЛТл 1) потока в се чении А-А факела трассера и ширине (а 1)сечения А-А факела трассера, Точечный термометр 3 изменяет свое сопротивление Л йт 1 пропорционально только амплитудному значению изменения температуры (ЛТт 1) 45 потока в сечении А - А факела трассера. Приодинаковой длине (1.) проволочных элементов термометров 3, 5 ширину (о 1) теплового следа в сечении А - А определяют по формуле:50 1 ЛТл 1Д 1= -Тт 11 Лйл 1(4)Протяженный термомент 6 изменяет свое 55 сопротивление ЛЯл 2 пропорционально амплитудному значению изменения температуры (ЛТЛ 2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера и ширине (о 2) сечения (Б-Б) факела трассера, Точечный термометр 4 изменяетСВОЕ СОПратИВЛЕНИЕ (ЬВт 2) ПрОПОрцИОНаЛЬ- но только амплитудному значению изменения температуры (ЛТт 2) потока в сечении (Б-Б) факела трассера. При одинаковой длине (1) проволочных элементов термометров 5 4, 6 ширину (о 2) теплового следа в сечении (Б-Б) определяют по формуле:1 ЛТл 2Т 2 у ХТт 21 ЛВл 2Хйг 10(5) Скорость(Ч) набегающего воздушного потока измеряют по величине мощности, подаваемой на нагревательный элемент 1 стандартным термоанемометрическим способом, Сигналы с термометров 2 - 6 и нагревательного элемента 1 поступают на блок 9, они обрабатываются в аналоговой или цифровой форме. При выполнении блока 9 в 20 виде аналоговой системы обработки сигналов (фиг, 2), вычисление КТД производится по формуле (2) с учетом значений ширины 1, 2 сечений А - А, Б - Б факела трассера, определенных по изменениям температуры фа кела трассера в этих сечениях:1 ЛТ 1 . ЛТ 22 ТТ ХТТТТТТТТЛТц1 ЬВдттт 1 о = г ттТ "хлт 1Ь В 1.2 Л В.1ХЯТТ 3 бТ 1 Огде Е - длина проволочных элементов термометров 2 - 6;О - расстояние между сечениями А - А и Б - Б.Действующая модель устройства для измерения КТД веществ в атмосфере представляет собой консоль длиной 180 мм, на 4 которой укреплены последовательно через 50 мм на штангах: термометр 2 опорного сопротивления (на высоте 40 мм), нагреватель 1(на высоте 80 мм), два опорных кольца диаметром 100 мм, На кольцах укреплены протяженные термометры 5, 6 и точечные термометры 3, 4. Проволочные термометры выполнены из медного провода в эмалевой изоляции диаметром сечения 20 мкм. Нагреватель 1 выполнен из нихромового провода и обеспечивает нагрев от блока 8 питания до 70 С, Блок 9 (фиг. 1) обработки данных может быть реализован на основе стандартных узлов обработки аналоговых сигналов, Напряжения на термометрах 3-6 (фиг. 1), пропорциональны их сопротивлениям при стабилизации тока. Изменение напряжения при включении нагревателя 1 пропорционально изменению сопротивления М термометров 3 - 6, Тогда, подставив в формулу (6) значения ЬВт 1, ЬВт 2, ЬВл 1, ЬВл 2 ПрОПОрцИОНаЛЬНЫЕ ИХ ЗНаЧЕНИя ЛОт 1, ЛОт 2, ЬОл 1, й/л 2 и приравняв все константы1 1.- =а получим выражение для КТД через ЬО и скорость Ч:К=(7)Получение напряжения О, пропорционального К, выполняется схемой, приведенной на фиг, 2. Преобразователи 11 (на основе дифференциальных усилителей), по одному на каждый линейный и точечный датчики, даЮт СООтВЕтСтВЕННО ЛОт 1, Л От 2, Ол 1, Л Ол 2. Аналоговые перемножители 12, 13, 14 вычисляют произведения, стоящие в скобках формулы (7), перемножители 15, 16, 17 выполняют возведение в квадрат, дифференциальный усилитель 18 - вычитание, делитель 19 (на основе перемножителя) осуществляет деление, перемножитель 20 - умножение на а. Усилитель 21 регулирует коэффициент а.Пример вычисления коэффициента турбулентной диффузии приведен в таблице 1,При этих значениях ширина сечения А - А факела а 1 = 8,5 мм и ширина сечения Б - Б о 2 = 31,1 мм, а значение коэффициента турбулентной диффузии составляет: К = 3,83 х х 10 З м/сек,Технический эффект предлагаемых технических решений состоит в повышении производительности определения КТД вследствие оперативности получения данных за счет одномоментного усреднения концентрации трассера в разных точках сечений его факела, что позволяет сократить время получения значений КТД с 1 часа (в прототипе) до долей секунды в и редложенных способе и устройстве, Это важно, например, при оперативном принятии решений в полевых условиях для оптимизации технологии авиационной обработки растений биопрепаратами в аэрозольной форме. Кроме того упрощается автоматизация технических средств вследствие того, что в предлагаемом устройстве используется одинаковая по принципу действия аппаратура.Формула изобретения 1. Способ измерения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере, включающий формирование факела трассера, определение ширины Р факела в двух его сечениях, расположенных на расстоянии О друг от друга перпендикулярно оси факела, измерение скорости трассера и1764016 10 Чм/сек 81 Ом йт Ом Ят 2 Ом Ят 2 Ом 1,мм О,мм 0,07 0,09 1 м/сек 0,18 0,85 100 50 вычисление коэффициента турбулентной диффузии К по формулеО 1 +Щ Щ - 712 Оо т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью измерения производительности, в качестве формирователя факела трассера используют точечный источник тепловой энергии, в каждом из двух сечений факела определяют изменение температуры воздушного потока относительно окружающей среды ЛТл и ЬТт соответственно на линейном участке длинойи в средней точке участка, а ширину факела в каждом сечении находят из вы 2 ЛТдражения Р= - г --2, Устройство для определения коэффициента турбулентной диффузии аэрозолей в атмосфере, включающее точечный формирователь факела трассера, измеритель скорости распространения трассера, узлы измерения ширины факела, расположенные 5 на измеренном расстоянии друг от друга, иблок регистрации и обработки, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения производительности, формирователь факела трассера выполнен в виде нагреватель ного элемента, каждый узел измеренияширины факела выполнен в виде точечного и протяженного термометров сопротивления, длины проволок которых равны между собой, нагревательный элемент, точечные 15 термометры и центральные точки протяженных термометров расположены на одной прямой, причем протяженные термометры расположены перпендикулярно к этой прямой,. Бельская едакт аказ 3456 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 водствен но-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,