Персональный шахтёрский пылемер PDM

Лабораторные и производственные испытания нового персонального пылемера, измеряющего концентрацию респирабельной пыли в реальном масштабе времени

Laboratory and Field Performance of a Continuously Measuring Personal Respirable Dust Monitor

Обложка перевода документа NIOSH "Персональный пылемер PDM"

Отчёт о проведении исследования, № 9669

Report of Investigations 9669

Авторы: Джон Волквейн, Роберт Винсон, Стивен Пейдж, Линда Мак-Вильямс, Джеральд Джой, Стивен Михлер, Дональд Тачман

By Jon C. Volkwein, Robert P. Vinson, Steven J. Page, Linda J. McWilliams, Gerald J. Joy, Steven E. Mischler, and Donald P. Tuchman

Министерство здравоохранения и социального обеспечения (США)

Центры по контролю и профилактике заболеваний

Национальный Институт охраны труда (NIOSH)

Исследовательская лаборатория NIOSH в Питтсбурге Pittsburgh Research Laboratory

DHHS (NIOSH) Publication No. 2006–145

Питтсбург, Пенсильвания

Сентябрь 2006

• См. также переводы документов NIOSH:

Обеспыливание при подземной добыче угля (2010)

Ограничение предельно допустимой концентрации угольной пыли в шахтах США (2011)

Защита от пыли при добыче и переработке полезных ископаемых (2012)

Отчёт специалистов NIOSH о разработке воздушного душа для защиты шахтёров от пыли (2012)

Как получить документы:

Копии документов Национального института охраны труда (NIOSH) и другую информацию по вопросам охраны труда и техники безопасности Вы можете получить, обратившись в NIOSH по адресу:

4676 Columbia Parkway Cincinnati, OH 45226–1998

Fax: 513–533–8573 Телефон: 1–800–35–NIOSH (1–800–356–4674) e-mail: [email protected]

Интернет-сайт: www.cdc.gov/niosh

Результаты и выводы исследования, описанные в этом отчёта, не являются официальной позицией NIOSH.

---

Правовая оговорка: упоминание любой компании или продукции не означает, что это одобряется NIOSH. Кроме того, ссылки на веб-сайты, вне сайта NIOSH, не означают, что Институт одобряет использование продукции или программ этих организаций. Институт не несёт ответственности за информацию, содержащуюся на таких сайтах.

Сокращения и единицы измерения
Сокращения ANOVA - analysis of variance – анализ изменчивости, дисперсионный анализ; BMRC - British Medical Research Council – Британский совет по медицинским исследованиям; CL - confidence limit – доверительный интервал; CMDPSU - coal mine dust personal sampler unit – персональный пылемер (обычный, гравиметрический), предназначенный для измерения концентрации респирабельной (мелкодисперсной) фракции угольной пыли; DO - Dorr-Oliver – одна из моделей миниатюрного циклона-пылеуловителя, используемая для отделения крупной фракции пыли от респирабельной (мелкой) при замерах запылённости, т.к. законодательство США требует измерения концентрации именно респирабельной (мелкой) пыли; EOS - end of shift – конец смены; GSD – geometric standard deviation - стандартное геометрическое отклонение; HD - Higgins-Dewell – одна из моделей маленького пылеуловителя – циклона, используемого для отделения крупной пыли от респирабельной, т.к. законодательство США требует измерения концентрации именно её; HEPA - high-efficiency particulate air (filters) – противоаэрозольные фильтры высокой эффективности; в ЕС и РФ примерно соответствуют фильтрам респираторов Р3; ISO - International Organization for Standardization - Международная организация по стандартизации (ИСО); LED - light-emitting diode – светоизлучающий диод; LOQ - limit of quantification - предел количественного определения (предел обнаружения); MMAD - mass median aerodynamic diameter – аэродинамический диаметр – это размер эквивалентный частицы сферической формы из материала с плотностью 1000 кг/м3, котрая эквивалентна данной частице (одинаковая скорость оседания под действием силы тяжести и т.п.); а при наличии частиц разного размера – средний массовый геометрический диаметр; MO - mass offset – погрешность измерения массы уловленной пыли; MRE - Mining Research Establishment (U.K.) - Горный научно-исследовательский центр (Национального Совета по углю, Великобритания); MSHA - Mine Safety and Health Administration – Управление по безопасности и охране труда при добыче полезных ископаемых (в Министерстве труда США), разрабатывает требования к работодателям в части охраны труда, и контролирует их выполнение; NIOSH - National Institute for Occupational Safety and Health – Национальный институт охраны труда (в Министерстве здравоохранения США, далее – Институт – прим.), проводит исследования в области профилактики несчастных случаев и профзаболеваний, разрабатывает рекомендации к работодателю для их профилактики (проекты законов) – но не принимает законы, и не контролирует их выполнение; PDM - personal dust monitor – новая модель персонального пылемера, позволяющая получать сведения о текущей концентрации пыли и дозе воздействия с начала смены – в реальном масштабе времени, изготавливается модели PDM3600 и PDM3700, стоимость в 2015г (до массового выпуска) свыше 20 000 долларов; PEL - permissible exposure limit – предельно допустимая концентрация (вредного вещества или фиброгенной пыли в воздухе), которая разработана OSHA, и юридически является обязательной для выполнения работодателем; PRL - Pittsburgh Research Laboratory (NIOSH) – исследовательская лаборатория Института в Питтсбурге; PVC - polyvinyl chloride – поливинилхлорид; RH - relative humidity – относительная влажность; RMSE - root mean square error – средняя квадратическая ошибка; RSD - relative standard deviation – относительное стандартное отклонение; TE - tapered element – трубообразный (колеблющийся, с фильтром на конце) элемент датчика запылённости; TEC - Thermo Electron Corp. (Albany, NY) – компания, изготавливавшая новые пылемеры; TEOM - tapered-element oscillating microbalance – микровесы с колеблющимся трубообразным чувствительным элементом; UCL - upper confidence limit – верхний доверительный предел.
Единицы измерения (сокращения, использованные в этом документе)
hr - hour – час; in - inch – дюйм, 1 дюйм = 2,54 см; kg - kilogram – килограмм; L/min - liter per minute – литров в минуту; lb - pound – фунт, 1 фунт равен 0,4536 кг; mg – milligram – миллиграмм; mg/m3 - milligram per cubic meter – миллиграмм на кубический метр; min - minute – минута; mm – millimeter – миллиметр; mm Hg - millimeter of mercury – миллиметр ртутного столба, 1 мм рт. ст. соответствует давлению 133,2 Па; sec - second – секунда; µg - microgram – микрограмм; µm - micrometer – микрометр; EC - degree Celsius – градус Цельсия; EF - degree Fahrenheit – градус Фаренгейта ( EC = (EF-32)*5/9 ; EF = 1,8*EC + 32 ).

Отчёт о проведении исследования, № 9669 Report of Investigations 9669

Авторы: Джон С. Волквейн¹, Роберт П. Винсон², Стивен Дж. Пейдж³, Линда Дж. Мак-Вильямс⁴, Джеральд Дж. Джой⁵, Дональд П. Тачман⁵, Стивен Е. Михлер⁶ (Jon C. Volkwein, Robert P. Vinson, Steven J. Page, Linda J. McWilliams, Gerald J. Joy, Donald P. Tuchman, Steven E. Mischler)

1 – исследователь-физик (research physical scientist); 2 – физик (physicist); 3 - исследователь-физик (research physicist); 4 – статистик (statistician); 5 – промышленный гигиенист (industrial hygienist); и 6 – физик (physical scientist).

Питтсбургская исследовательская лаборатория Национального института охраны труда; Питтсбург, Пенсильвания.

Pittsburgh Research Laboratory, National Institute for Occupational Safety and Health, Pittsburgh, PA.

Предисловие к переводу

Добыча полезных ископаемых нередко сопровождается загрязнением воздуха пылью из-за несовершенства используемых технологических процессов, машин, износа оборудования, и из-за недостаточного внимания работодателя к сбережению здоровья рабочих. Но вдыхание даже нетоксичной, инертной пыли может привести к развитию неизлечимых и необратимых заболеваний – пневмокониозов (антракоз, силикоз и др.). В СНГ это происходит на фоне разрушения системы профилактики профессиональных заболеваний, созданной в СССР; неблагоприятной экономической ситуации; и продолжающейся с 1930-х не-регистрации большей части профзаболеваний. Это приводит к закономерным последствиям: Так, по данным руководителя Ростовского центра профпатологии Ирины Пиктушанской († 05.2015), процесс инвалидизации шахтёров значительно ускорился – теперь это происходит через 4 месяца после постановки первичного диагноза, а не через 20 лет, как было в 1960-е. Срок дожития шахтёров после постановки диагноза профзаболевания за полвека (вопреки прогрессу науки) тоже сократился – с 38 до 4 лет в среднем .

Министерство труда РФ принимает различные меры для защиты рабочих от вредных производственных факторов. На смену аттестации рабочих мест АРМ, которую игнорировало большинство работодателей, пришла специальная оценка условий труда. В отличие от АРМ, она позволяет работодателю улучшить условия труда за счёт выдачи рабочим средств индивидуальной защиты СИЗ (то есть – не меняя сами условия труда), а закупка СИЗ может быть оплачена за счёт отчислений работодателя в Фонд социального страхования. Это делает спецоценку более привлекательной для работодателя, и возможно, надежда снизить классы труда (а заодно – отчисления и другие обременительные для бизнеса расходы) стимулирует проводить такую спецоценку чаще, чем проводилась АРМ.

При этом работодатель обязан обеспечивать рабочих эффективными СИЗ, соответствующими условиям труда. В отношении СИЗ органов дыхания (респираторов, СИЗОД) – это требование у шахтёров скорее нарушается, чем выполняется. Если при подземной добыче полезных ископаемых запылённость может превышать 1 грамм/м3, и часто составляет сотни мг/м3, то необходимы респираторы, снижающие запылённость вдыхаемого воздуха в сотни раз. Исследования показали, что такую эффективность могут обеспечить изолирующие СИЗОД с принудительной подачей воздуха под лицевую часть по потребности под давлением (так, чтобы во время вдоха давление было выше наружного для исключения просачивания неотфильтрованного воздуха через зазоры между маской и лицом); или фильтрующие СИЗОД с принудительной подачей воздуха под полнолицевую маску. Но на практике шахтёрам выдают полумаски без принудительной подачи воздуха – самые неэффективные из всех респираторов. Результаты исследований эффективности СИЗОД (и западных - на рабочих местах (обзор), так и лабораторных исследований советских моделей), показавших низкие защитные свойства полумасок – игнорируются. Игнорируется и то, что шахтёры не могут применять респираторы непрерывно, что по определению не позволяет обеспечить их эффективную защиту при большой запылённости с помощью СИЗОД. В то время, как в развитых странах законодательство однозначно определяет порядок выбора и организации использования респираторов (достаточно эффективных при своевременном использовании); в РФ изготовители необоснованно завышают эффективность своей продукции на порядки – см. фото полумаски Artrix). Сочетание использования малоэффективных СИЗОД и большой концентрации пыли создаёт недопустимо высокий риск развития профзаболеваний.

Файл:Пылеумаска с завышенной декларируемой эффективностью.jpg

Изготовители этого изделия гарантируют потребителю снижение загрязнённости вдыхаемого воздуха в 5 000 раз (КЗ=5000). При этом игнорируются результаты многочисленных научных исследований респираторов аналогичной конструкции, которые показали, что во время работы полумаска может сползти, и просачивание неотфильтрованного воздуха может в отдельных случаях достигать 40% от вдыхаемого. Использование рекомендаций изготовителей, которые значительно и необоснованно завышают эффективность своей продукции, может привести к использованию средств индивидуальной защиты органов дыхания в таких условиях, в которых они не смогут защитить рабочих уже по самой своей конструкции. Выбор заведомо недостаточно эффективных средств защиты вносит свой вклад в рост профессиональной заболеваемости в РФ и странах СНГ.

Купленная одним из олигархов яхта, не используемая для санаторно-курортного лечения больных горнорабочих

С другой стороны, воздействие нетоксичной (фиброгенной) пыли на шахтёров ограничено как максимальная среднесменная концентрация, и для определения эффективности защиты нужно измерять именно её. Но на сайте Госреестра средств измерений в 2015г не было ни одного устройства, способного проводить длительные замеры во взрывоопасной атмосфере. (Такие пробоотборные электрические насосы есть, но изготовители не сертифицировани их). Это затрудняет проведение полноценного контроля за условиями труда, оценку эффективности средств коллективной защиты от пыли, и мешает улучшению условий труда.

Может быть, ознакомление с передовым зарубежным опытом поможет найти пути улучшения защиты российских шахтёров от пыли. В настоящем переводе описана часть исследований персонального пылемера, разработанного для шахтёров-угольщиков США. Прибор позволяет определять массовую концентрацию пыли (без учёта химического состава) в реальном масштабе времени, что позволяет оперативно выявлять увеличение воздействия пыли, устанавливать причину увеличения, и принимать корректирующие меры. По данным доклада руководителя MSHA Джо Мэйна, в законодательство внесены изменения, и с февраля 2016г все компании, добывающие уголь под землёй, обязаны использовать эти пылемеры для определения воздействия пыли на всех шахтёров, работающих в наиболее пыльных местах.

Хотя описанный прибор измеряет концентрацию не всей, а респирабельной пыли, и при достаточно низкой запылённости, можно заметить, что существуют технические возможности измерять таким же способом более высокие концентрации всей пыли. Подача воздуха в микровесы без предварительной очистки циклоном позволит улавливать всю пыль (не только респирабельную), а уменьшение расхода воздуха и/или включение подачи воздуха периодически - уменьшит массу пыли на фильтре даже при сильно загрязнённой атмосфере. Отсутствие циклона может позволить использовать недорогой мембранный насос, снизит сопротивление (что в сочетании с уменьшением объёма прокачиваемого воздуха снизит потребности в электроэнергии, а это позволит облегчить и удешевить аккумуляторы).

Но эта возможность пока не реализована. В то время как работодатели в США обеспечивают своих шахтёров пылемерами (стоимостью более 20 тыс $), их коллеги в РФ предпочитают тратить деньги на покупку яхт – используя их не для саноторно-курортного лечения шахтёров, у которых антракоз и силикоз перешли в лёгочное сердце. Это отличие отчасти может объясняться незначительной долей регистрируемых профзаболеваний, и конфликтом интересов – сохранение жизни и здоровья свидетелей приватизации потенциально может быть невыгодно тем, кто сумел эффективно расхитить народнохозяйственную собственность СССР. Остаётся надеяться, что государство перестанет игнорировать свои регулирующие обязанности, и станет более эффективно стимулировать работодателя улучшать условия труда.

Ссылки к предисловию

Реферат

Национальный институт охраны труда (NIOSH, далее в тексте – Институт – прим.), в сотрудничестве с промышленностью, профсоюзами, а также Управлением по охране труда при добыче полезных ископаемых (Управление по безопасности и охране труда на шахтах, (MSHA)) разработал и исследовал новый вид измерительного оборудования – персональный пылемер (personal dust monitor, PDM). Это устройство интегрировано в лампу на шахтёрской каске, и непрерывно даёт информацию о концентрации респирабельной угольной пыли в зоне дыхания рабочего. Для того, чтобы подтвердить обеспечиваемую точность измерений – как после получения от изготовителя, так и после того, как они использовались шахтёрами на рабочих местах - была проведена лабораторная проверка 25 прототипов таких пылемеров в лабораторных условиях. Эта лабораторная проверка подтвердила ранее полученные результаты: измеренные этими пылемерами концентрации находятся в пределах 95% доверительного предела при допускаемой погрешности ±25% по отношению к «базовому» значению. Испытания на рабочих местах, в шахтах, позволили определить точность и надёжность пылемера, и то, как к нему относятся шахтёры. Эти результаты показали, что в таких условиях погрешность составляет: относительное стандартное отклонение 0,078% у пылемера PDM; и 0,052% у (используемого сейчас) стандартного персонального пылемера. (Испытания показали, что) этот пылемер даёт достоверную информацию о запылённости с вероятностью 90% в течение более чем 8000 часов работы под землёй. Краткие отзывы шахтёров об устройстве показывают, что они считают его более удобным в применении, чем стандартный пылемер, так как новое устройство встроено в используемую шахтёрами лампу на каске. Средние значения погрешности измерений, полученные до и после испытаний на рабочих местах (под землёй) оказались статистически равными. Было проведено дополнительное исследование для сопоставления нового пылемера с аналогичным английским прибором (U.K. Mining Research Establishment sampler) как это требует законодательство США. Однако при увеличении концентрации (обнаружилась) изменчивость, и это потребовало использования более сложных статистических методов, что затруднило проведение анализа результатов измерений. Результаты этой работы, и их объяснение будут описаны в следующей публикации. При использовании нового пылемера в разнообразных производственных условиях, охваченных этой работой, устройство показало себя как такой же точный, надёжный и удобный измеритель запылённости, как и уже используемый сейчас стандартный пылемер.

Введение

Измерение концентрации пыли в воздухе на рабочем месте, по существу, является первым шагом на пути профилактики (неизлечимых и необратимых) заболеваний органов дыхания, развивающихся при вдыхании чрезмерного количества пыли. Закон об охране труда на угольных шахтах 1969г (Federal Coal Mine Health and Safety Act of 1969), принятый перед аналогичным законом 1977г (Federal Mine Safety and Health Act of 1977), обязывает (работодателя) обеспечить среднесменную запылённость не более 2 мг/м3 по респирабельной фракции угольной пыли (по данным специалистов, одновременно измерявших концентрации и респирабельной, и всей пыли в угольных шахтах Великобритании, концентрация всей пыли в среднем в 5-20 раз выше, чем концентрация респирабельной пыли – прим.), а также проводить измерения концентрации пыли. Сейчас (2006г) для определения запылённости используется персональный пылемер (coal mine dust personal sampler unit CMDPSU), которые прокачивают воздух шахты через пробоотборный фильтр. Затем уловленная респирабельная пыль отправляется для анализа в лабораторию. Результаты анализа становятся известными на шахте через несколько дней после проведения замеров (или иногда – через несколько недель). После длительных попыток разработать пылемеры, которые бы измеряли концентрацию пыли непрерывно с помощью определения рассеивания света (стационарное устройство), а также персонального пылемера, министр труда США и комитет, занимающийся профилактикой пневмокониозов у шахтёров-угольщиков (Federal Advisory Committee on the Elimination of Pneumoconiosis Among Coal Mine Workers), дали указание Институту (NIOSH) начать исследования для улучшения оборудования, используемого для измерения запылённости в шахтах. После консультации с профсоюзами, промышленностью и правительством, Институт заключил контракт (CDC contract 200–98–8004) с компанией Rupprecht and Patashnick Co., Inc. (сейчас - Thermo Electron Corp., TEC, находится в Албани, штат Нью-Йорк), на разработку персонального пылемера (personal dust monitor PDM). Этот пылемер разрабатывался на основе (уже имевшегося) устройства для определения качества воздуха, который широко использовался для мониторинга. Важной особенностью этого прибора было то, что он измерял массу пыли на фильтре, не учитывая (химический) состав пыли, размер частиц, и их физические свойства. Выполнение работы по этому контракту позволило создать миниатюрный датчик, и разместить его в прототипе персонального пылемера, который давал точный результат измерений (уже) к концу смены (end-of-shift (EOS) data). Результаты проверки в лабораторных условиях показали, что для угольной пыли разных видов, при разном дисперсном распределении частиц, этот прибор измерял запылённость с погрешностью ± 25% с вероятностью 90% (по отношению к «базовому» значению). Результаты испытаний в шахтах показали, что статистически-значимых отличий в показаниях нового прибора и уже используемых пылемеров – нет. При проведении испытаний в шахтах, новая технология позволила получить успешные результаты в течение 108 смен, при попытках провести замеры в 115 случаях. Испытания в шахтах показали, что новый пылемер удобен в использовании, устойчиво работает, даёт точные и своевременные результаты, позволяющие контролировать запылённость, и предотвращать чрезмерное воздействие пыли, и что им легко пользоваться.

Получив обнадёживающие результаты испытаний прототипа пылемера как в лабораторных, так и в производственных условиях, Управление по охране труда при добыче полезных ископаемых (MSHA) в июне 2003г заявило, что оно приостановит все работы, относящиеся к завершению законотворческой деятельности, регулирующей защиту от пыли (проект был опубликован в марте 2003г), и сосредоточит усилия на ускорении исследований нового пылемера PDM. Другие партнёры, участвовавшие в разработке пылемера (профсоюзы и промышленность) внесли вклад в разработку проекта испытаний (для оценки того, подходит ли прибор для использования в угольных шахтах; надёжен ли он при повседневном применении; и удобен ли он для применения шахтёрами). В другой части документа предписывается определить точность, чувствительность (accuracy), функциональность и работоспособность при длительном использовании прототипа пылемера – как в лабораторных условиях, так и в шахтах.

В настоящем документе описано изучение двух из трёх главных проверяемых параметров. Первый – лабораторная проверка того, что точность измерения пылемера, который будет выпускаться для продажи, соответствует точности прототипа прибора; и проверка сохранения точности пылемера после его применения в условиях шахт. Второй – проверка точности в подземных условиях как нового, так и уже используемого пылемеров, и импактора (используемого для определения дисперсного распределения частиц пыли). Тщательная проверка в подземных условиях также позволит определить технические характеристики пылемера при его повседневном использовании шахтёрами. Третий – определение того, соответствует ли новый пылемер требованиям английского стандарта (U.K. Mining Research Establishment MRE) и международного стандарта (International Organization for Standardization ISO) к приборам, используемым в шахтах. Проверка соответствия английскому и международному стандартам оказалась значительно сложнее, чем предполагалось изначально; и потребовала использования более сложной статистической модели, чем планировалось. Поэтому Институт (NIOSH) решил опубликовать уже выполненную часть работы в настоящем документе, а остальную – опубликовать в другом.

Для оценки риска развития профессиональных заболеваний, возникающих при вдыхании пыли, важно определить массу респирабельной (мелкодисперсной, наиболее опасной) фракции пыли. Международный стандарт ISO рекомендует использовать определение того, какая часть пыли респирабельная, в соответствии с работой. Но поскольку нет ни одного сепаратора респирабельной фракции, который бы абсолютно точно соответствовал указанной рекомендации, любое устройство будет давать результат измерений с какой-то присущей ему погрешностью. Например, широко используемый сепаратор респирабельной пыли – циклон Дорр-Оливер диаметром 10 мм, используемый в настоящее время в стандартном персональном пылемере CMDPSU – даёт погрешность как по отношению к международному стандарту, так и по отношению к английскому (British Medical Research Council BMRC). Определение респирабельной фракции пыли, разработанное BMRC, стало применяться и в MRE как показатель опасности пыли для здоровья рабочего. Для использования в составе нового пылемера, сепаратор респирабельной пыли должен был соответствовать тому условию, что он будет устанавливаться на каску. Был выбран циклон конструкции (Higgins-Dewell HD). Его первоначальные испытания показали, что он даёт небольшую погрешность по отношению к международному стандарту ISO.

В этом отчёте описаны принцип работы, конструкция и технические характеристики нового пылемера, и приводится его сравнение со стандартным традиционным гравиметрическим методом измерения запылённости; и функциональность устройства при его применении шахтёрами. Особое внимание уделено оценке точности измерений до и после его использования в шахтах, и точности в подземных условиях.

Описание нового пылемера PDM

В настоящем отчёте описан вариант пылемера, который разработан и испытан, но который (пока ещё – 2006г – прим.) не поступает в продажу. Это изделие (Model 3600 PDM) работает точно так же, как и прототип пылемера, разработанный ранее по контракту. Отличие испытывавшегося пылемера от прототипа: более прочный корпус, улучшенный индикатор показаний, более эффективное управление потреблением энергии, улучшенное программное обеспечение. Этот пылемер разрабатывался с тем, чтобы устройство стало «практически незаметным» для шахтёра, и заменялось бы при плановой замене лампы на каске и аккумулятора, используемых сейчас большинством шахтёров.

Точное взвешивание уловленной пыли осуществляется с помощью специальных микровесов с колеблющимся чувствительным элементом (tapered-element oscillating microbalance TEOM). Эти микровесы позволяют пылемеру PDM получать результат измерений в реальном масштабе времени. Аналогичные микровесы используются для определения массы пыли в атмосфере, в выхлопных газах дизельных двигателей, измерения запылённости воздуха в воздуховодах. Используемый метод измерений, основанный на использовании инерции уловленной пыли, позволяет получить результат, который по порогу чувствительности измерения соответствует наиболее чувствительным лабораторным микровесам. При разработке такого устройства, предназначенного для использования в составе пылемера в сложных и тяжёлых подземных условиях, пришлось решить ряд проблем. После многолетних усилий был разработан чувствительный элемент, который устанавливался на специальном основании, компенсирующем удары, и позволяющим обеспечить взвешивание уловленной пыли с точностью до микрограмм в сложных подземных условиях.

Файл:Пылемер Фиг. 01.jpg

Фиг. 1. Конструкция пылемера PDM

Конструкция устройства

Пылемер фактически является сочетанием шахтёрской лампы и измерителя концентрации респирабельной пыли. По весу и размерам он примерно соответствует используемым сейчас свинцовому аккумулятору и шахтёрской лампе. Пылемер состоит из трубки для отбора проб воздуха, циклона – сепаратора крупной (не-респирабельной) пыли, воздухонагревателя, измерителя массы пыли, аккумулятора для питания пылемера, аккумулятора для питания шахтёрской лампы, электронного блока управления и запоминания, индикатора показаний, и программного обеспечения на основе Windows (называется WinPDM; обеспечивает подключение к компьютеру). На Фиг. 1 показаны некоторые из этих компонент. Прочность корпуса пылемера увеличили, чтобы он выдержал условия подземного применения; и теперь устройство соответствует требованиям к прочности шахтёрских ламп при падении (MSHA drop test requirements for cap lamps; 30 CFR 77 Code of Federal Regulations. See CFR in references), а также требованиям к безопасности (30 CFR 18).

В новом пылемере также имелся разъём, позволяющий подключать его к персональному компьютеру для скачивания результатов измерений и внесения изменений в программное обеспечение; и одновременно заряжать аккумулятор прибора для следующей смены (Фиг. 2).

Фиг. 2. Новый персональный пылемер PDM (версия, выпущенная изготовителем до начала продаж), присоединённый к белому блоку (слева), объединяющему зарядное устройство и обеспечивающему связь с персональным компьютером через интерфейс обмена RS–232

Движение воздуха, отбираемого для проведения измерений

Запылённый воздух угольной шахты всасывается во входное отверстие воздуховода для отбора воздуха, находящееся около лампы на козырьке каски. Затем воздух движется по гибкому воздуховоду к циклону-сепаратору HD, который установлен на входе в прибор. Циклон улавливает крупную пыль, пропуская мелкую – такую, которая при вдыхании может дойти до лёгких (респирабельную). Пройдя через зону подогрева (что позволяет избежать конденсации влаги), воздух с респирабельной пылью попадает на датчик измерения массы пыли. При прохождении воздуха через этот датчик, установленный на нём заменяемый фильтр улавливает (респирабельную) пыль. Этот фильтр может заменяться механиком, обслуживающим пылемеры (Фиг. 3) в конце каждой смены, при очистке прибора.

Фиг. 3. Замена фильтров на чувствительном датчике микровесов с помощью специального приспособления.

Измерение и регулирование расхода воздуха

После датчика измерения массы пыли, отфильтрованный воздух проходит через отверстие, и измеряется перепад давления при прохождении потока воздуха через это сужение. Измеренный перепад давления позволяет определить расход воздуха. В приборе также установлены датчики, измеряющие температуру и относительную влажность воздуха (до насоса). Их показания учитываются при управлении производительностью насоса так, чтобы обеспечить то разрежение, которое необходимо для корректного отбора проб воздуха. Другие датчики измеряют температуру воздуха вблизи циклона, а также давление воздуха в шахте. Эта информация используется прибором вместе со сведениями о температуре (отбираемого) потока воздуха около отверстия (расходомера) для определения (фактического) расхода воздуха через циклон HD. Полученная информация используется в системе обратной связи для того, чтобы расход воздухе через циклон был постоянным (2,2 л/мин), что обеспечит правильное разделение крупнодисперсной пыли и респирабельной пыли, в конкретных подземных условиях.

Источник питания

Для электропитания пылемера и шахтёрской лампы используются два одинаковых аккумулятора. Их хватает на 12 часов работы как пылемера, так и лампы. Полностью разряженные аккумуляторы могут быть заряжены за 6 часов, что позволит использовать индикатор показаний прибора в максимальной степени. В приборе использованы новые аккумуляторы, использующие литий-ионную технологию (также используемую в персональных компьютерах), что обеспечивает большую ёмкость при небольшом размере, и хорошие характеристики в отношении времени зарядки и жизненного цикла. Благодаря большой ёмкости таких аккумуляторов при небольшом их размере, удалось разместить все аккумуляторы и сам пылемер в корпусе, соответствующем по размеру стандартному аккумулятору для шахтёрской лампы. Масса пылемера, который мы испытывали, составила 3 кг (6,6 фунтов).

Обработка результатов измерений

Информация с датчиков, включая датчик массы уловленной пыли, поступала в микропроцессор в реальном масштабе времени. Это позволяло получать сведения о запылённости воздуха в зоне дыхания шахтёра с ежеминутным усреднением. Результаты измерений могут отображаться в реальном масштабе времени как в цифровом, так и в графическом виде. Также прибор измеряет параметры окружающей среды – температуру и давление воздуха, и перемещение прибора. Информация о концентрации пыли и параметрах окружающей среды сохраняется в памяти прибора порядка 20 полных смен. Эта информация может быть выбрана и скачана с прибора для анализа. В верхней части прибора находится дисплей с подсветкой, который непрерывно показывает информацию о концентрации пыли за предшествующие 30 минут, кумулятивную (среднюю с начала смены) массовую концентрацию пыли, и прогнозируемую среднесменную концентрацию пыли (к концу смены). С помощью дисплея шахтёр может оценить запылённость в любой момент времени, и эффективность пылезащитных мероприятий.

Информация о концентрации пыли и параметрах окружающей среды всегда доступна для шахтёра, но она защищена от искажения (фальсификации), так как доступ к ней ограничен. Кроме того, прибор может использоваться и шахтёрами, и административными работниками для кратковременных измерений концентрации пыли – таких, которые не повлияют на статистические показатели по полносменным замерам. Эта возможность может быть полезна при измерении эффективности различного вентиляционного или пылезащитного оборудования. Такие (внутри-сменные) замеры могут проводиться так часто, как это необходимо, а результаты таких измерений могут быть скачаны вместе защищёнными от фальсификаций результатами измерений запылённости в течение смены.

Способ измерения массы пыли с помощью датчика TEOM

Главным элементом конструкции датчика измерения концентрации пыли TEOM является полая трубка (tapered element TE). Один конец этой трубки зак