Охрана труда и БЖД

В промышленной гигиене отбор проб (воздуха) проводят для определения истинной концентрации (воздушных) загрязнений, воздействию которых подвергается сотрудник в месте проведения отбора проб. Федеральный стандарт (по охране труда) 29 CFR 1910 подчасть Z устанавливает предельные ограничения воздействия на рабочих (ПДК). Аналитические лаборатории обычно сообщают о массе загрязнений на фильтре, в активированном угле или импинджере.

Для вычисления концентрации воздушных загрязнений в то время, когда проводился отбор проб, нужно вычислить истинный объём воздуха, прокачивавшийся через измерительное устройство. Если расходомер пробоотборного насоса откалиброван так, что он поддерживает определённый расход воздуха 2 л/мин (высота над уровнем моря 175 м, температура 24°С), а использование насоса происходит на большей высоте (1.5 км) или при другой температуре, то реальный расход воздуха будет отличаться от 2 л/мин.

(Поэтому) для определения реальной концентрации во время измерений нужно откорректировать измеренный расход для получения реального. Это исправление производится в соответствии с законами движения воздуха, основным уравнением для того расходомера, который использовался: ротаметр, критическое отверстие (critical orifice) или ограничивающее отверстие (limiting orifice), а не является просто внесением поправки с помощью газового закона.

Поправка на температуру и давление

Описанные ниже поправки не требуются, если используется поршневой пробоотборный насос. Для таких насосов см. ''Вычисление концентрации'' ниже.

Поправки для ротаметоров с линейной шкалой и ограничивающих отверстий.

Qactual = Qindicated * √[ (Pcal*Tactual) / (Pactual * Tcal) ], где индексы означают:

actual - истинные условия в момент отбора проб (Q - расход, Р - давление, Т - температура);

cal - истинные калибровочные условия;

indicated - показанный откалиброванным ротаметром расход.

И давление, и температура берутся в абсолютных единицах, в частности:

Давление [psia] = psig + 14,7 (psig – давление, показываемое манометром, то есть это разница измеряемого давления и атмосферного, единицы измерения psia и psig - фунт на квадратный дюйм = 6895 Па, а 14.7 - атмосферное давление: 101 353 Па = 14.7*6895)

Температура (градусы Кельвина) = температура (градусы Цельсия) + 273

Таблица G-1. Среднее абсолютное атмосферное давление

Высота, футы/метры	Абсолютное давление, psia	Абсолютное давление, дюймов ртутного столба	Абсолютное давление, Па*
Уровень моря	14,7	29,92	101092
Цинциннати, Огайо	14,4	29,31	99031
1000 / 305	14,2	28,87	97545
2000 / 610	13,7	27,82	93997
3000 / 914	13,2	26,81	90584
4000 / 1219	12,7	25,85	87341
5000 / 1524	12,2	24,9	84131
6000 / 1829	11,7	23,98	81022
7000 / 2134	11,3	23,1	78049
8000 / 2434	10,8	22,22	75076
9000 / 2743	10,5	21,39	72271
10000 / 3048	10,1	20,58	69535

* - при переводе получено пересчётом (для значений из третьего столбца и для g=9.82 м/с²).

Заметим, что местные барометрические изменения не оказывают значительного влияния на среднее атмосферное давление. Для получения оценки истинного среднего абсолютного атмосферного давления в месте проведения калибровки можно использовать таблицу G-1.

Пример:

Калибровка ротаметра, работающего от аккумулятора, и показывающего расход 2 л/мин, проводилась в Цинциннати, Огайо (высота 175 м над уровнем моря, температура 23,9°С). А измерения проводились на высоте 1800 м над уровнем моря при температуре 10°С. Ротаметр показывал расход 2 л/мин. Для получения реального расхода воздуха через насос во время измерений используем:

Qactual = 2 л/мин * √[ (14.4 psia*(273+10) град Кельвина) / (11.7 psia * (273+23.9) град Кельвина) ]

= 2 л/мин * 1.083 = 2.17 л/мин.

Если не внести поправку, то получится ошибка -8%.

Критическое отверстие

Мы считаем, что критическое отверстие работает в соответствующем режиме, если разрежение за ним не ниже 15 дюймов ртутного столба (~50681 Па). Обычно лучше использовать всасывающий насос при разрежении 20 дюймов ртутного столба (~67575 Па). Откорректированный расход вычисляется по формуле:

Qactual = Qindicated * √[ Tactual / Tcal], где температура - в абсолютных единицах (градусы Кельвина).

Пример

Критическое отверстие с номинальным расходом 9 л/мин было откалибровано в Цинциннати (24°С) так, что расход составлял 9.1 л/мин. Затем оно использовалось при отборе проб при температуре ~2°С. Для получения реального расхода воздуха вычислим:

Qactual = 9.1 л/мин * √[ (273+2) / (273+24) ] = 9.1*0.962 = 8.75 л/мин

При отсутствии поправки получилась бы погрешность около +4%.

Вычисление концентрации

При вычислении массовой концентрации воздушных загрязнений (мг/м3) нужно использовать реальный объём прокачанного воздуха, который определяется с помощью вышеописанных поправок.

Все концентрации газов и паров должны быть преобразованы в ppm (частей на миллион по объёму) перед определением того, нарушаются ли требования законодательства. Для проверки выполнения требований Федеральных стандартов по охране труда (29 CFR 1910 подчасть Z) должны использоваться только концентрации, выраженные в ppm, так как значения концентрации, которые указаны в стандартах по массе - приближённые, и могут содержать ошибку округления.

Для преобразования концентраций (мг/м3 в ppm) используется коэффициент 24.45. Это количество литров, которое занимает один грамммоль (gmole) газа при стандартных (OSHA/ACGIH) температуре и давлении (25°С, 760 мм рт столба). При использовании уравнения для преобразования вычисляется концентрация в ppm в тех условиях (Р и Т), в которых происходил отбор проб. Но это уравнение (для преобразования концентрации) также можно интерпретировать как вычисление объёма, который занимает газ (который находится в отобранном объёме воздуха) при стандартных температуре и давлении. Уравнение[1]:

ppm = (C)*(24.45)*(273 + T°C)*(14.7) / [ (MW)*(293°C)*(P) ],

{эта формула - для давления, измеряемого в фунтах на квадратный дюйм}

ppm = (C)*(24.45)*(273 + T°C)*(101 353) / [ (MW)*(293°C)*(P) ],

{эта формула - для давления, измеряемого в Паскалях}

где С - концентрация в (мг/м3) в отобранном воздухе при температуре Tabsolut и Р,

MW - молекулярная масса вредного вещества, грамм/граммоль (g/gmole),

Р - реальное давление при отборе проб (psia - верхняя формула, Па - нижняя).

Для быстрого приближённого пересчёта можно использовать номограмму на Фиг. G-1. Важно понять, что в сущности в (вышеприведённом) уравнении (используется) реальный отобранный объём воздуха, который преобразовывается в объём при стандартных температуре и давлении. Поправки для ppm при приведении к стандартным температуре и давлению - не нужны. Как только была вычислена концентрация в ppm, но остаётся постоянной, и не зависит ни от температуры, ни от давления.

Фиг. G-1. Номограмма для получения массовой концентрации (мг/м3) с помощью объёмной (ppm)

Пояснения к порядку измерения

1. При проведении отбора проб нужно записывать высоту над уровнем моря, температуру, положение места, где проводилась калибровка прибора, и показываемый прибором расход воздуха.

2. Используя поправки, которые учитывают отличие давления и температуры от стандартных, вычисляется реальный объём прокачанного воздуха. Это нужно делать только при использовании ротаметров, критических или ограничивающих отверстий.

3. Затем вычисляется массовая концентрация (мг/м3), и для этого используется реальный объём прокачанного воздуха. Определённая массовая концентрация должна указываться для тех условий (температуры и давления/высоты над уровнем моря), в которых проводилось её измерение.

4. С учётом отличий температуры и давления во время измерений от стандартных вычисляется концентрация в ppm (частей на миллион по объёму). Эту объёмную концентрацию можно сравнивать с значениями ПДК (в США, PEL), указанными в стандарте по охране труда 29 CFR 1910 Subpart Z.

Получение поправочных коэффициентов

Поправки при использовании ротаметра

В руководстве для инженеров-химиков (G-3) приводится уравнение 5-24 (стр 5-13) для отношения (массовых) расходов двух разных жидкостей, протекающих через один и тот же ротаметр:

Wa/Wb = Ka/Kb * √{ [ (ρf-ρa)*ρ ] / [ (ρf-ρb)*ρb ] } (G-1) где

W - массовый расход (газа),

ρf - плотность поплавка ротаметра (float),

К - параметр потока (flow parameter),

ρ - плотность газа,

a, b - индексы для разных газов, или одного газа в разных условиях.

Мы рассматриваем только воздух в разных условиях, то можно сделать два предположения:

Ka = Kb, и ρf-ρa = ρf-ρb

В результате уравнение G-1 примет вид: Wa/Wb = √{ ρa / ρb }

Но W=ρ*q, где q - объёмный расход воздуха. Используя последнее уравнение получим:

ρa*qa / ρb*qb = √ [ ρa / ρb ] → qa / qb = √ [ ρb / ρa ]

Согласно закону Менделеева-Клапейрона :

ρ = MP/RT, где

M - молярная масса (грамм на моль),

P - давление,

R - газовая постоянная (8.31 Дж/моль*К),

T - температура (°К).

Теперь уравнение G-1 можно записать так:

qa / qb = √ [ (Pb * Ta ) / (Tb * Pa) ]

Индексы а относятся к условиям при проведении измерений, а индексы b - к условиям при калибровке.

Поправки при использовании калиброванного критического отверстия

В том же руководстве (G-3) на стр. 5-9 приводится уравнение для расхода воздуха через критическое отверстие:

Wx = 0/533 * (C) * (A) * (Р) / √(T), где

Wx - массовый расход,

C - коэффициент сужения потока в отверстии (по сравнению с реальным размером отверстия - Discharge coefficient)

A - поперечное сечение отверстия,

P - давление до отверстия,

T - температура до отверстия.

При использовании одного и того же отверстия при разных температуре и давлении, получатся разные массовые расходы воздуха. Отношение этих расходов будет равно:

Wa / Wb = (Pa/Pb) * √(Ta/Tb) (G-2)

где индексы a и b относятся к разным температуре и давлению потоков. Используя выражение

W = q*ρ (G-3)

где q - объёмный расход, и ρ - плотность газа, можно преобразовать массовый расход в объёмный. Для вычисления плотности воздуха можно использовать уравнение:

ρ = (M) * (P) / (R) * (T) (G-4)

где

M - молярная масса (грамм на моль),

P - давление,

R - газовая постоянная (8.31 Дж/моль*К),

T - температура (°К).

После подстановки уравнений G-3 и G-4 в G-2 получим уравнение для внесения поправок:

qa / qb = √( Ta / Tb),

в котором индекс a относится к условиям (абсолютной температуре °К) при проведении измерений, а индекс b - к условиям при калибровке.

Ссылки

G-1. Rooper P: Calibration of Orifices. NIOSH in-house report, Cincinnati, Ohio 45226, 1972.

G-2. Heitbrink WA: NIOSH Memorandum. Measurement Research Branch, Division of Physical Sciences and Engineering, Cincinnati, Ohio 45226, September 14, 1976.

G-3. Perry JH ed. Chemical Engineers' Handbook, 4th ed. McGraw-Hill Book Company, New York, NY 1963.

---

Полезная информация: