Результат интеллектуальной деятельности: Способ контроля технического состояния фильтра противогаза и устройство его реализующее

Изобретение относится к противогазовой технике и может быть использовано при разработке и эксплуатации фильтров противогазов. Толкование терминов, используемых в заявке.

Противогаз - прибор для защиты органов дыхания, глаз и лица человека от отравляющих и радиоактивных веществ, бактерий, вирусов (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 613).

Шихта - смесь сырых материалов, предназначенная для переработки в специальных агрегатах (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 885).

Распределитель двухходовой - распределитель с односторонним электрическим управлением, с двумя входами и одним выходом, способным формировать две позиции для прохождения паровоздушных смесей (1. Пневмоавтоматика. Основной курс TP 101, учебное пособие, Festo didactic, стр. 13-14. 2. ГОСТ 21251-85. Пневмораспределители пятилинейные золотниковые. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1986 г. - 58 с).

Чувствительность - способность улавливать, отражать внешние воздействия, изменения (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 876).

Селективность - свойство восприятия, характерное избирательным выделением в поле сенсорном неких отдельных признаков (Словарь практического психолога. - Минск: ACT, Харвест. С.Ю. Головин. 1998. - 626 с. стр. 463).

Стабильность - прочность, устойчивость, постоянность (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп.- М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 750).

Под достоверностью понимается верность полученных значений, не вызывающая сомнений (Ожегов С.И., Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80000 слов и фразеологий выражений / РАН; Российский фонд культуры; - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АЗЪ, 1994. - 928 с. стр. 173).

Полупроводниковые газочувствительные сенсоры - устройства, предназначенные для измерения электропроводности полупроводника при хемо-сорбции молекул из газовой фазы при заданной температуре. Основу газочувствительного слоя составляет диоксид олова - полупроводник, обладающий широкой запрещенной зоной и проводимостью n-типа (1. С.З. Эль-Салим // Обнаружение примесей паров компонентов ракетного топлива в воздушной среде/ Химическая безопасность, №2, 2007, с. 12-19. 2. СЗ. Эль-Салим // Применение полупроводниковых газочувствительных сенсоров для предупреждения террористической деятельности / Оборонные стратегии, №12, 2015 г.).

Известен способ, реализованный в изобретении «Способ контроля средств индивидуальной защиты», патент РФ №2257925, А06В 27/00, опубл. 10.08.2005, бюл. №22. Способ заключается в том, что в атмосферу помещения вводят вещество с характерным запахом в виде аэрозоля и паров (например, ирритант) и поддерживают в течение рабочего времени на уровне концентрации, органолептически обнаруживаемой находящимся в помещении опасной зоны человеком в случае нарушения защитных свойств используемого им в этот период средства индивидуальной защиты (противогаза).

Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является способ, реализованный в изобретении «Способ контроля противогазового фильтра», патент РФ №2360718, А62В 27/00, G01N 27/22 опубл. 10.07.2009, бюл. №19. Способ-прототип заключается в том, что: включают источник питания измерительного блока, измеряют электрическую емкость между электродами, установленными в зоне размещения шихты, подают на сигнальный вход устройства сравнения формируемый на выходе измерителя электрический сигнал, пропорциональный измеренной электрической емкости, сравнивают сформированный сигнал с тестовым сигналом, поступающим с выхода формирователя тестового сигнала, с помощью тестового сигнала определяют пороговое значение измеряемой электрической емкости, характеризующее критическое истощение шихты.

Известно устройство, реализованное в изобретении «Динамическая установка для определения времени защитного действия коробок противогазов и респираторов», патент РФ №2174420, А06В 27/00, опубл. 10.10.2001, бюл. №28. Устройство состоит из последовательно соединенных блока подготовки воздуха, психрометра, расходомера, термостата с испарителем ртути, термометра, крана с гофрированной трубкой и поглотителем паров ртути, индикатора и поглотительного бачка. Кроме того, оснащена гофрированной трубкой с сорбентом паров ртути, двумя расходомерами и диафанометром, установленными последовательно между испарителем ртути и индикатором, при этом первый расходомер установлен до испытуемого образца, а гофрированная трубка со вторым расходомером установлена после испытуемого образца.

Известно устройство, реализованное в изобретении «Фильтрующе поглощающая коробка», патент РФ №2218954, А06В 23/02, опубл. 20.12.2003, бюл. №35. Устройство содержит корпус с горловиной, в котором расположен поглотитель-шихта, кольцо из полуэластичного материала, насаженное на корпус, и крышку с противоаэрозольным складчатым фильтром, имеющую кольцевой выступ и фиксирующую последнюю складку фильтра между торцом кольцевого выступа крышки и дном корпуса. Крышка выполнена из полуэластичного материала. Кольцевой выступ крышки выполнен с утонением и способен деформироваться от усилия сборки при поджатии фильтра. Край фильтра зафиксирован между кольцом и крышкой, а боковые поверхности крышки и кольца имеют кольцевые выступы и канавки для защелкивания в сборке. Конструкция данной фильтрующе-поглощающей коробки позволяет исключить подсос воздуха, уменьшает материалоемкость и габариты коробки и повышает технологичность изготовления кольца и крышки.

Известно устройство, реализованное в изобретении «Многофункциональный полиномный противогазовый фильтр», патент РФ №2261132, А06В 23/00, опубл. 27.09.2005, бюл. №27. Устройство содержит цилиндрический корпус с горловиной для присоединения фильтра к маске, противопылевой тампон, шихтовую часть, сетки - верхнюю и нижнюю для крепления шихтовой части, противоарозольный фильтр, дно с входным отверстием. Между верхней и нижней сетками находится шихта, позволяющая проводить очистку воздуха от монооксида углерода. Между противоаэрозольным фильтром и нижней сеткой помещен дополнительный слой катализатора для поглощения и обезвреживания органических паров, серосодержащих и других кислых газов, а в горловине закреплен съемный клапан вдоха. Обеспечивается повышение качества очистки воздуха, увеличение ресурса работы фильтра, надежность в эксплуатации.

Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному, является устройство, реализованное в изобретении «Способ контроля противогазового фильтра», патент РФ №2360718, А62В 27/00, G01N 27/22 опубл. 10.07.2009, бюл. №19, содержащее фильтр противогаза, внутри которого размещена шихта, в зоне размещения шихты установлены электроды и выведенные наружу выводы электродов, соединенных с измерительным блоком, содержащим последовательно соединенные измеритель емкости и индикатор. Индикатор содержит последовательно соединенное устройство сравнения и сигнализатор, а также подключенный к опорному входу устройства сравнения формирователь тестового сигнала.

Технической проблемой в данной области является: низкие чувствительность, селективность, стабильность и в результате низкая достоверность контроля из-за отсутствия возможности выявления (определения) корреляции между концентрациями вещества, измеренными с помощью полупроводниковых газочувствительных сенсоров на входе фильтра противогаза и на выходе фильтра противогаза.

Техническая проблема решается созданием способа контроля технического состояния фильтра противогаза и устройства его реализующего, обеспечивающих повышение чувствительности, селективности, стабильности в интересах повышения достоверности контроля за счет выявления (определения) корреляции между концентрациями вещества, измеренными с помощью полупроводниковых газочувствительных сенсоров на входе фильтра противогаза и на выходе фильтра противогаза.

Техническая проблема решается тем, что способ контроля технического состояния фильтра противогаза, заключающийся в том, что, включают источник питания, согласно изобретению дополнен следующими действиями: собирают схему измерений концентраций паров и газов таких веществ, как: аммиак, циклогексан, хлор, сероводород, диоксид серы, декан, прокачивают необходимый объем потока воздуха до перехода камеры измерительной в режим работы «измерительный ноль», измеряют концентрацию установленного вещества: аммиака, циклогексана, хлора, сероводорода, диоксида серы, декана на входе фильтра противогаза, измеряют концентрацию установленного вещества: аммиака, циклогексана, хлора, сероводорода, диоксида серы, декана на выходе фильтра противогаза, анализируют результаты измерений, определяют техническое состояние фильтра противогаза.

Техническая проблема решается тем, что устройство контроля технического состояния фильтра противогаза, в составе: фильтра противогаза, внутри которого размещена шихта, согласно изобретению дополнено: источником микропотоков (ИМП), первым распределителем двухходовым, насосом мембранным, камерой измерительной, вторым распределителем двухходовым, входным фильтром, причем, выход ИМП соединен с входом фильтра противогаза и первым входом первого распределителя двухходового, выход фильтра противогаза соединен со вторым входом первого распределителя двухходового, выход которого соединен с первым входом второго распределителя двухходового, второй вход которого соединен с выходом входного фильтра, выход второго распределителя двухходового соединен с входом камеры измерительной, выход которой соединен с входом насоса мембранного.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленных технических решений, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретений условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных изобретений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленных изобретений на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа и устройства обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены функциональные узлы (составные части) заявленного устройства.

Заявленные способ и устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

- фиг. 1 - структурная схема устройства контроля технического состояния фильтра противогаза, реализующего заявляемый способ;

- фиг. 2 - основные условия проведения контроля технического состояния фильтра противогаза;

- фиг. 3 - основные результаты измерений при контроле технического состояния фильтра противогаза.

Устройство контроля технического состояния фильтра противогаза, содержит (фиг. 1): ИМП - 1, фильтр противогаза - 2, внутри которого размещена шихта - 3, первый распределитель двухходовой - 4, насос мембранный - 5; камера измерительная - 6, второй распределитель двухходовой - 7, входной фильтр - 8.

ИМП известное устройство, предназначенное для приготовления газовых смесей определенного состава в заданном диапазоне микроконцентраций (фиг. 2). В качестве контрольных веществ целесообразно использовать любое вещество следующего состава: аммиак, циклогексан, хлор, сероводород, диоксид серы, декан. Принцип работы ИМП основан на термодиффузии вещества (обычно в жидком виде) через пористые стенки защитной трубки, изготавливаемой, как вариант, из материала ФП-4М. При нагревании до определенной температуры через стенки трубки диффундирует строго определенное количество вещества - производительность источника микропотока (R). При заданном расходе воздушного потока (Q) концентрация примеси в потоке составит: . При повышении температуры (до указанной в паспорте источника) производительность растет, следовательно, растет концентрация примеси.

Как вариант, вместо ИМП можно применять баллоны с поверочными газовыми смесями, которые используются с ресивером объемом не менее 10 литров для обеспечения единства измерений. Необходимо использовать поверочные смеси с концентрациями ниже 0,01% для сохранности контролируемых фильтров.

Фильтр противогаза известное устройство, предназначено для фильтрации отравляющих и радиоактивных веществ, бактерий, вирусов и может быть выполнен в виде коробки или любого другого фильтрующего устройства (1. Рейман Л.В. Техника микродозирования газов. Л.: Химия, 1985. 2. ГОСТ Р 12.4.193-99 (ЕН 141). ССБТ. СИЗОД. Фильтры противогазовые и комбинированные. Общие технические условия).

Распределители двухходовые известные устройства, предназначенные для переключения направления перемещения паровоздушных смесей и могут быть выполнены в виде распределителя пневматического электромагнитного (1. Пневмоавтоматика. Основной курс TP 101, учебное пособие, Festo didactic, стр. 13-14. 2. ГОСТ 21251-85. Пневмораспределители пятилейные золониковые. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1986 г. - 58 с.).

Насос мембранный известное устройство, предназначено для прокачивания паровоздушных смесей и может быть выполнен в виде устройства, в котором роль поршня выполняет гибкая пластина-диафрагма, закрепленная по краям и изгибающаяся под действием рычажного механизма или переменного давления среды (Большая советская энциклопедия, 8 том, 3-е издание, М: «Советская энциклопедия», 1972 - 592 с. Стр. 243).

Камера измерительная представляет собой аппаратно-программное средство обнаружения паровоздушных смесей, формирования образа и распознавания на его основе многокомпонентных парогазовых сред для дальнейшей их идентификации и сравнения. В камере размещаются полупроводниковые сенсоры. С помощью технологических приемов достигается высокая стабильность электрофизических и теплофизических характеристик применяемых полупроводниковых структур, составляющих основу газочувствительного слоя. Синтез газочувствительного материала и последующая термическая обработка позволяет получать кластеры, обладающие полупроводниковыми свойствами с наиболее вероятными размерами 2, 5, 7 и 9 нм. Разброс значений по размерам не превышает ± 10% от наиболее вероятного размера. Сенсоры работают в одном из задаваемых оператором режимах для обнаружения, идентификации и формирования образа запаха. Режимы работы могут задаваться как оператором, так и автоматически. Обработка текущих измерений и расчетов проводится по специальной программе и алгоритму обработки результатов измерений как автономно, так и с помощью внешнего ПК. Как вариант полупроводниковые сенсоры в зависимости от вещества могут быть выполнены на базе GS-08, TGS2610-C00 (горючие газы), TGS2444 (аммиак), TGS2600-B00 (воздух), TGS2611, TGS2611-E00 (метан), TGS2620-C00 (пары органических растворителей), TGS3830 (фреон) и другие (www.sensorgas.ru).

Входной фильтр известное устройство, предназначено для удаления загрязнений и участия в покачивании необходимого объема потока воздуха (Международные курсы «Пневмоавтоматика», учебное пособие. Издано ООО «ЭС ЭМ СИ ПНЕВМАТИК». Спб.: 2013, стр. 40).

Устройство контроля технического состояния фильтра противогаза работает следующим образом (фиг. 1).

Этап 1. При включении питания происходит включение насоса мембранного - 5, при этом первый и второй двухходовые - 4 и 7 выключены (нормально открыты). Происходит отбор воздуха, при этом, поток воздуха проходит через входной фильтр - 8, второй распределитель двухходовой - 7, камеру измерительную - 6 и насос мембранный - 5. С помощью насоса мембранного - 5 «прокачивается» необходимый объем потока воздуха до перехода камеры измерительной - 6 в режим «Измерительный ноль».

Этап 2. Питание подается на второй распределитель двухходовой - 7. При этом, второй распределитель двухходовой - 7 через вход 2 блокирует входной фильтр - 8, первый распределитель двухходовой - 4 подключает через вход 1 ИМП - 1 и блокирует вход 2. В результате формируется цепь: ИМП - 1, первый распределитель двухходовой - 4 (вход 1), второй распределитель двухходовой - 7 (вход 1), камера измерительная - 6 и насос мембранный - 5. При этом камера измерений - 6 определяет и фиксирует концентрацию установленного ИМП - 1 вещества.

Этап 3. Камера измерительная - 6 устанавливается в режим «Измерительный ноль» (см. этап 1).

Этап 4. Питание подается на первый и второй распределители двухходовые - 4 и 7, соответственно. Второй распределитель двухходовой - 7 блокирует через вход 2 входной фильтр - 8, первый распределитель двухходовой - 4 подключает фильтр противогаза - 2 через вход 2 и блокирует вход 1. В результате формируется цепь: ИМП - 1, фильтр противогаза - 2, первый распределитель двухходовой - 4 (вход 2), второй распределитель двухходовой - 7 (вход 1), камера измерительная - 6 и насос мембранный - 5. При этом, камера измерительная - 6 определяет и фиксирует концентрацию вещества, установленного ИМП - 1 и прошедшего через шихту - 3 фильтра противогаза.

Контроль технического состояния фильтра противогаза в соответствии с заявленным способом осуществляют следующим образом:

1. Собирают схему измерений концентраций паров и газов таких веществ, как: аммиак, циклогексан, хлор, сероводород, диоксид серы, декан, при этом, подключают (устанавливают в пассивный динамический стенд) ИМП - 1 (фиг. 1) с определенным веществом (фиг. 2) через первый распределитель двухходовой - 4 к камере измерительной - 6, подключают насос мембранный - 5 к камере измерительной - 6, подключают входной фильтр - 8 через второй распределитель двухходовой - 7 к камере измерительной.

2. Включают источник питания.

3. Прокачивают необходимый объем потока воздуха до перехода камеры измерительной - 6 в режим работы «измерительный ноль», при этом, с помощью входного фильтра - 8 и насоса мембранного - 5 прокачивают необходимый объем потока воздуха до перехода камеры измерительной - 6 в режим работы «измерительный ноль».

4. Измеряют концентрацию установленного вещества: аммиака, циклогексана, хлора, сероводорода, диоксида серы, декана на входе фильтра противогаза - 2, при этом, подключают ИМП - 1 к камере измерительной - 6 через первый и второй распределители двухходовые - 4 и 7, соответственно. Фильтр противогаза - 2 от камеры измерительной - 6 отключен.

5. Выполняют действия п. 3.

6. Измеряют концентрацию установленного вещества: аммиака, циклогексана, хлора, сероводорода, диоксида серы, декана на выходе фильтра противогаза - 2, при этом подключают фильтр противогаза - 2 к камере измерительной - 6. Поток с паровоздушной примесью определенного вещества проходит через шихту - 3 фильтра противогаза - 2.

7. Анализируют результаты измерений, при этом, определяют параметр состояния фильтра противогаза - 2 (F_i) по формулам:

где С₀ - значение концентрации паровоздушной примеси определенного вещества (в воздухе) на входе фильтра противогаза - 2;

C_i - значение концентрации паровоздушной примеси определенного вещества (в воздухе) на выходе фильтра противогаза - 2.

8. Определяют состояние шихты фильтра противогаза - 2.

Если то шихта - 3 фильтра противогаза - 2 полностью насыщена и фильтр противогаза - 2 находится в неработоспособном состоянии.

Если то ресурс работы шихты - 3 фильтра противогаза - 2 высок и фильтр противогаза - 2 находится в работоспособном состоянии. При ΔC_0i ≈ Q (текущее состояние фильтра), определяют стадию насыщения фильтра противогаза - 2. Задают некоторое значение S, при котором фильтр противогаза - 2 необходимо сменить.

В случае многокомпонентных паровоздушных примесей в окружающем воздухе для повышения достоверности контроля используют аналитический сигнал Z, рассчитанный в соответствии с алгоритмом работы газочувствительных сенсоров:

где U - измеряемое напряжение;

<U(t)> - накопленное среднее значение измеряемого напряжения за время t и рассчитанное по формуле:

Интегральная концентрация паровоздушных примесей в окружающем воздухе определяется по формуле:

Значения и В получают в результате градуировки сенсора, проведенной по «чистым» веществам, при этом - значения определителя матрицы, состоящей из коэффициентов уравнений связи, В - соответствующие значения вектора чувствительности обнаружения «чистого» вещества. Паровоздушная смесь состоит из веществ, по которым проведена предварительная градуировка. Для одного аналитического канала смещение по Z на величину , приводит к зависимости с точностью до бесконечно малой величины, определяемой как:

В этом случае, параметр состояния фильтра противогаза - 2 (F_i) определяется по формулам:

Задавая значения F_i контролируют техническое состояние фильтра противогаза - 2 на любой стадии эксплуатации противогаза.

Осуществление способа подтверждается проведенным экспериментом. В качестве побудителя расхода применен насос, прокачивающий не менее 1200-1500 мл/мин, что позволяет получить результаты с доверительной вероятностью 0,99 при времени экспозиции 30 с.

На фиг. 3 приведены основные результаты измерений при контроле технического состояния фильтра противогаза с помощью камеры измерительной, состоящей из двух каналов, установленных на входе фильтра противогаза и на его выходе. Техническое состояние фильтра противогаза определяется как по однокомпонентной, так и по многокомпонентной паровоздушной смеси, что повышает достоверность определения технического состояния фильтра противогаза (примеси различных составов сорбируются в различной степени - простые вещества и сложносоставные).

Кроме того, достоверность контроля технического состояния фильтра противогаза повышается, за счет повышения чувствительности, селективности и стабильности индикационного эффекта (Z), при этом, чувствительность повышается за счет применения полупроводниковых газочувствительных сенсоров с нижним пределом обнаружения от 10^-3 мг/м³, что позволяет проводить контроль технического состояния фильтра противогаза с низким содержанием фильтров без ущерба для шихты. Селективность повышается за счет применения мультисенсорной системы, включающей не менее 8 независимых сенсоров различного вещественного состава и рабочей температуры, что позволяет проводить контроль технического состояния фильтра противогаза по многокомпонентным смесям. Стабильность повышается за счет технологических решений изготовления сенсоров, что повышает воспроизводимость индикационных эффектов при контроле паровоздушных смесей до входа фильтра противогаза и после его прохождения.

Таким образом, решается техническая проблема.