Изокинетический отбор проб: как настроить и какие отклонения допустимы

Изокинетический отбор проб пыли — это когда скорость газа на входе в насадку зонда равна скорости газа в газоходе в той же точке. Выглядит как техническая деталь, но именно от неё зависит, попадёт ли в фильтр крупная фракция пыли. При отклонении часть крупных частиц проходит мимо насадки или, наоборот, влетает в неё по инерции, и концентрация смещается в ту или другую сторону — тем сильнее, чем грубее пыль.

Что такое изокинетичность

Пособие определяет изокинетический отбор как отбор, при котором скорость и направление газа, входящего в насадку пробоотборной трубки (v_n), совпадают со скоростью газа в газоходе в точке отбора (v_s). Отношение v_n/v_s, выраженное в долях, характеризует отклонение от изокинетичности. Проба считается отобранной изокинетично, если это отношение лежит в диапазоне от 0,95 до 1,15.

Диапазон несимметричен: минус 5 % и плюс 15 %. Так он задан в пособии, и в процедуре отбора повторён тот же допуск в виде «−5 % … +15 %» с требованием регулировать расход именно в этих пределах.

Второе условие — направление. Насадку выставляют навстречу потоку с точностью до ±10°. Если она повёрнута сильнее, меняется эффективная площадь входа и крупные частицы начинают отражаться от кромки, даже когда расход формально совпадает с расчётным.

Что происходит при отклонении

Причина — инерция частиц. Мелкая пыль идёт вместе с газом и почти повторяет линии тока, крупная — нет: на повороте потока она продолжает двигаться по прямой. Когда расход через насадку больше изокинетического, линии тока сходятся к входу, газ затягивается из более широкой области, а крупные частицы пролетают мимо. В фильтр попадает меньше крупной пыли, концентрация выходит заниженной. Когда расход меньше, поток растекается перед насадкой, и крупные частицы по инерции влетают в неё — концентрация завышается.

В пособии это показано на схеме отбора: при v_n/v_s > 1 концентрация в насадке пониженная, масса пыли на фильтре недостаточная; при v_n/v_s < 1 — наоборот, повышенная и избыточная. Полезно запомнить бытовую формулировку: сильнее тянешь — меньше пыли. Она кажется нелогичной, но именно так работает инерционный механизм.

Величина искажения зависит от дисперсного состава: чем крупнее частицы, тем сильнее инерционный эффект. Заранее оценить его нельзя — дисперсный состав на входе в фильтр, как правило, неизвестен. Поэтому допуск соблюдают всегда, а не «когда пыль мелкая».

Формула равенства скоростей

Условие записывается коротко: v_n = v_s. Расход газа через насадку Q связан со скоростью и площадью входа:

Q = v_n · S, где S = π · d² / 4 — площадь внутреннего сечения насадки, d — её внутренний диаметр.

Если диаметр насадки в миллиметрах, а скорость в метрах в секунду, то расход в литрах в минуту при условиях в газоходе равен Q = 0,0471 · d² · v. Коэффициент 0,0471 — это просто перевод единиц: π/4 · 60/1000. Он не эмпирический и не зависит от методики; его удобно держать в голове для быстрой прикидки.

Из формулы видно главное: при одном и том же сопле расход должен меняться вместе со скоростью в каждой точке. Скорость по сечению неодинакова, поэтому один раз посчитанный расход не годится на все точки. И наоборот: чтобы удержать удобный расход при разной скорости, нужны разные сопла — или регулировка в пределах, которые даёт насос.

Как считают расход аспиратора

Расчёт ведут от условий в газоходе к условиям, при которых измеряет расходомер или счётчик. Пособие перечисляет величины, которые для этого нужны: температура газа, атмосферное и статическое давление, содержание влаги, скорость в точке отбора, диаметр насадки, температура перед ротаметром и разряжение перед ним.

Порядок такой. Сначала считают расход через насадку при условиях в газоходе: Q = v_s · πd²/4. Затем приводят его к нормальным условиям по температуре и давлению: умножают на 273/(273 + T) и на (P_атм + P_стат)/101,325. Потом переходят от влажного газа к сухому: умножают на 0,804/(0,804 + f_N), где f_N — концентрация водяных паров в граммах на литр сухого газа, а 0,804 г/л — плотность водяного пара при нормальных условиях. Последний шаг — привести объём к условиям счётчика: умножить на (273 + T_аспир)/273 и на 101,325/(P_атм − P_аспир).

Если счётчик стоит после осушителя, он уже считает сухой газ, и множитель с 0,804 не нужен — это зависит от схемы отбора. В пособии приведены три схемы под разную влажность, и в каждой своё место счётчика и осушителя. Поэтому перед расчётом смотрят не на формулу, а на фактическую обвязку.

Оптимальная скорость отбора пыли, по пособию, обычно составляет 10–40 л/мин. В этот диапазон стараются попасть подбором сопла: слишком малый расход даёт мало пыли на фильтре, слишком большой — перегружает фильтр и уводит за пределы возможностей насоса.

Есть и быстрый способ из приложения 1: V = V₂₀ · S · M · G, где V₂₀ берут из таблицы по диаметру насадки и динамическому давлению, S — поправка на температуру и давление в трубе, M — на влажность, G — на температуру и разряжение у ротаметра. Способ годится для уходящих газов топливосжигающих установок и смесей, плотность которых при нормальных условиях отклоняется от 1,29 кг/м³ не более чем на 10 %.

Почему нужны разные сопла

Расход пропорционален квадрату диаметра: переход с 8 на 10 мм даёт рост в 1,56 раза, с 6 на 12 мм — в четыре раза. Поэтому набор сопел — не роскошь, а способ попасть в рабочий диапазон насоса при разных скоростях. На практике берут несколько насадок и выбирают их после предварительных измерений скорости.

Пособие ограничивает диаметр снизу: используют насадки с внутренним диаметром более 8 мм и не рекомендуют насадки менее 4 мм. Причина — неопределённость эффективной площади входа за счёт фаски: она должна быть менее 10 %, иначе изокинетичность не выдержать. Форма тоже нормирована: постоянный внутренний диаметр на длине не менее одного диаметра или 10 мм от кончика (что больше), плавное изменение диаметра с конусом менее 30°, изгибы не ближе 30 мм от кончика, а изменения наружного диаметра в пределах 50 мм от кончика — плавные.

Если разброс скоростей в точках не превышает 30 %, допускается отбирать при одной скорости прокачки, рассчитанной как (V_макс + V_мин)/2,05. Если разброс больше, отбирают при разных расходах, но время отбора в каждой точке остаётся одинаковым.

Пример расчёта с числами

Возьмём условия из примера пособия: диаметр газохода 0,80 м, средняя скорость 12,05 м/с, температура 150 °С, атмосферное давление 102,0 кПа, статическое давление −3,0 кПа, влажность 0,150 г/л сухого газа (150 г/м³). Насадка — 10 мм, температура перед ротаметром 20 °С, разряжение перед ротаметром 2,0 кПа. Это пример, а не норматив: на объекте числа будут свои.

1. Площадь насадки: S = π · 10² / 4 = 78,54 мм² = 78,54 · 10⁻⁶ м².
2. Расход при условиях в газоходе: Q = 12,05 · 78,54 · 10⁻⁶ = 9,464 · 10⁻⁴ м³/с = 0,946 л/с = 56,8 л/мин.
3. Приведение к нормальным условиям по температуре и давлению: 56,8 · 273/423 · 99,0/101,325 = 35,8 л/мин влажного газа.
4. Переход к сухому газу: 35,8 · 0,804/(0,804 + 0,150) = 30,17 л/мин.
5. Приведение к условиям ротаметра: 30,17 · 293/273 · 101,325/99,3 = 33,0 л/мин.

Итог: ротаметр нужно выставить примерно на 33 л/мин. Проверка по диапазону 10–40 л/мин проходит. Если фактический расход оказался 30 л/мин, отношение v_n/v_s = 30/33,0 = 0,91 — ниже 0,95, отбор не изокинетичен. Если 36 л/мин — 1,09, в допуске; если 39 л/мин — 1,18, выше 1,15, и серию нужно повторять.

Контроль в процессе отбора

Настройка на нужный расход — половина работы. Вторая половина — удержать её, пока идёт отбор. Пособие требует проверять и регулировать расход каждые 5 минут, а динамическое давление в фиксированной реперной точке контролировать непрерывно или также каждые 5 минут. Для этого в плоскости отбора оставляют отдельную трубку Пито.

Если динамическое давление в реперной точке изменилось более чем на 40 % от первоначального, есть два варианта: прекратить отбор, зафиксировав время и расход, либо изменить скорость прокачки пропорционально корню из отношения давлений: v_нов = v_стар · √(P_нов/ P_стар). Логика простая: скорость пропорциональна корню из динамического давления, значит и расход должен измениться так же.

При перемещении зонда к следующей точке отбор не прекращают, а расход регулируют на ходу. Время отбора в каждой точке должно быть одинаковым, общее время — не менее 20 минут. Если скорости в точках близки к нулю (менее 4 м/с), такие точки допускается не отбирать: их вклад в общую концентрацию незначителен. Если же все скорости ниже 4 м/с, коэффициент газонапорной трубки уточняют на малых скоростях, берут насадку 10–20 мм и увеличивают время отбора до 30–60 минут.

Допустимые отклонения и недействительность

Пособие, опирающееся на ISO 9096:2003 (ГОСТ ИСО 9096-2006), прямо перечисляет границы, за которыми серия не имеет силы. Изокинетичность вне диапазона 0,95–1,15 (то есть за пределами −5…+15 %) — отбор повторяют. Расход при проверке на утечки более 2 % нормального расхода при максимальном вакууме — измерение недействительно. Видимые повреждения фильтра или пятна от давления и влаги — испытание признают недействительным. Количество пыли на фильтре должно как минимум в пять раз превышать нулевую пробу, иначе серию нельзя считать пригодной.

Отдельно оговаривается случай, когда испытание проводилось в неподходящем месте или при меняющемся режиме работы предприятия: пригодность пробы может быть поставлена под сомнение, а в протоколе должно быть прямо указано, что испытание проводилось не в соответствии с требованиями ГОСТ ИСО 9096-2006. Это честнее, чем выдавать результат с неоговорённым отклонением.

Проверку на утечки делают до и после каждого испытания: закрывают насадку, включают насос и смотрят расход. Ту же проверку можно вести непрерывно, сравнивая концентрацию O₂ или CO₂ в газоходе и после линии отбора: разница указывает на подсос.

Причина отклонения → как исправить