При реализации требований ГОСТ 17.2.4.06−90, мы сталкиваемся с необходимостью использования одновременно двух напорных трубок — контрольной и рабочей.
Сначала мы видим это на схеме установки приборов в газоходе:

Изокинетичность — это состояние пробоотборной системы, при котором газовая смесь входит в пылезаборную трубку с такой же скоростью, с какой движется в газоходе в месте отбора. Соблюдать условия изокинетичности при отборе необходимо не всегда. Загрязняющее вещество в потоке может быть в форме газа (NO2, CO и др.) или в форме частиц (пыли) и капель аэрозоли (кислоты, масла).
В случае с загрязнителем-газом все просто. Загрязняющее вещество смешано с воздухом и ведет себя, в целом как остальной воздух. Значит и при любом отборе порции газа, количество загрязнителя в пробе будет верно отражать его концентрацию в газоходе.

Сложнее ситуация с частицами и аэрозолями. Каждая отдельная пылинка или капля достаточно мала, чтобы быть подхваченной потоком воздуха, но в то же время остается отдельным от потока воздуха объектом и не повторяет в точности траектории его движения, так как обладает собственной инерцией. Таким образом, при отборе пробы воздуха, количество захваченного с ним загрязняющего вещества может не соответствовать количеству, приходившемуся в газоходе на этот объем воздуха — проба будет искажена.
То есть, мы должны проводить отбор с минимальным возмущением потока газа, для того чтобы инерция частиц не искажала качество отобранной пробы.

т.1 — состояние изокинетичности — скорость входа газа в наконечник равна скорости газа в газоходе;
т.2 — скорость входа газа в наконечник больше скорости в газоходе;
т.3 — скорость входа газа в наконечник меньше скорости в газоходе.

Из рисунка 1 видно, что состоянием, при котором достигается минимальное искажение пробы — когда скорость входа газа в наконечник пылезаборной трубки равно скорости газа в месте отбора.
Важно! Достижение состояние идеальной изокинетичности невозможно, как и любого другого идеального состояния, и тому есть две причины: 1) некоторая степень неопределенности наших знаний как о состоянии потока газа, так и о истинных значениях измеренных нами параметров, 2) изменчивость потока газа, когда условие изокинетичности перестает соблюдаться из-за перемены состояния потока. Создать идеальную изокинетичность практически невозможно, но можно максимально приблизить наш отбор к этому состоянию.
Способ провести отбор пробы в условиях изокинетичности описан в стандарте ГОСТ 33 004–2014. Условно, можно разделить этот процесс на 3 стадии: подготовка, расчет условий проведения отбора пробы, непосредственно отбор.

Подготовка включает следующие стадии:
— Произвести измерение аэродинамических параметров потока газа по ГОСТ 17.2.4.06−90 и ГОСТ 17.2.4.07−90 или другим доступным методикам. В отдельных случаях, необходимо произвести учет влажности газа по ГОСТ 17.2.4.08−90. Для дальнейших расчетов условий изокинетичного отбора важно соблюсти требования ГОСТ 17.2.4.06−90 о измерениях скоростей в газоходе при помощи контрольной и рабочей напорных трубок. Знание скоростей газа в рабочих точках и коэффициента распределения скоростей сделает расчет удобнее. Подробнее про исполнение требований ГОСТ 17.2.4.06−90 подробно изложено в нашей статье в группе VK по ссылке Зачем измерять выбросы с контрольной напорной трубкой?.
— Определить количество точек для отбора проб — п. 6.3 ГОСТ 33 007–2014 допускает два варианта:
1) при неравномерности распределения скоростей газа по измерительному сечению менее 15% достаточно произвести измерение в одной точке в центре газохода. Добавим, что измерение в центре газохода — не лучший вариант, так как по результатам аэродинамических испытаний мы не знаем скорость газа в этой точке. Лучшим вариантом будет выбрать одну из рабочих точек, для которых легко установить скорость газа или контрольную точку.
2) при неравномерности распределения скоростей газа более 15% измерения необходимо проводить во всех рабочих точках, определенных по ГОСТ 17.2.4.06−90.
Неравномерность скоростей по рабочему сечению можно рассчитать, как соотношение максимального и минимального коэффициентов распределения скоростей по точкам (α макс. и α мин.).

При отсутствии данных о распределении скоростей (например, при работе без контрольной напорной трубки), приблизительно оценить неравномерность скоростей можно по данным динамических давлений в рабочих точках (Рдр макс. и Рдр мин.). Такой способ не позволяет получить корректный результат при больших перепадах скоростей по времени.

— Определиться с типом пылезаборной трубки. В соответствии с п. 5.4.4. ГОСТ 33 007–2014 нужно определить размер колебания скоростей по времени. Для этого нужно сравнить максимальную и минимальную скорость газа в одной точке за время проведения измерений аэродинамических параметров. Если требования ГОСТ 17.2.4.06−90 были выполнены в полном объеме, то для сравнения можно взять результаты измерений динамического давления в контрольной точке. При измерении без контрольной трубки, нужно провести дополнительные измерения.
Определить колебания скоростей можно по формуле Ф.2, только вместо максимального и минимального динамического давления по сечению газохода мы используем максимальное и минимальное значение динамического давления за время измерений в одной точке. При перепаде скоростей менее 15% допустимо использование простой пылезаборной трубки со сменными наконечниками различного диаметра. При перепаде более 15% необходимо использовать пылезаборную трубку нулевого типа.
Отметим, что при перепаде скоростей менее 15% не исключается возможность использования пылезаборной трубки нулевого типа. Независимо от перепада скоростей трубка нулевого типа позволяет наилучшим образом обеспечивать изокинетичность отбора и минимизировать сложные расчеты. Обеспечение условия изокинетичности с пылезаборными трубками нулевого типа осуществляется через контроль расхода аспирируемого воздуха и перепада давления манометрическим датчиком.

Расчет условий отбора пробы имеет целью установить диаметр наконечника пылезаборной трубки и скорость аспирации пробы. Расчет состоит из следующих стадий:
— Определение диаметра наконечника пылезаборной трубки. Для этой цели ГОСТ 33 007–2014 предлагает использовать формулу d (мм)=24⁄√(Vi (м/с)), где Vi (м/с) — скорость газа в точке проведения измерений. Указанная формула является частным случаем, применимым для аспираторов с диапазоном устанавливаемого расхода газа до 30 л/мин.
В универсальном виде формула расчета наконечника будет выглядеть так:

Где Vi (м/с) — скорость газа в точке проведения измерений. Скорость в точке отбора при полном исполнении требований ГОСТ 17.2.4.06−90 можно определить как; Lуд (л/мин) — расход газа удобный для отбора (обычно это 0,9 * верхний предел шкалы аспиратора).
Формулу 3 в условиях работы с конкретным аспиратором имеет смысл упростить так как удобная для работы скорость аспирации для одной и той же шкалы обычно одинакова. Например, при работе со шкалой 2−20 л/мин (как у большинства используемых сейчас для отбора аспираторов), формула расчета наконечника будет выглядеть как d (мм)=20 / √(Vi (м/с)).
Результатом расчета оказывается диаметр идеального наконечника, который обеспечивает условие изокинетичности при расходе газа равном Lуд (в условиях газохода). Однако именно такого наконечника в большинстве случаев нет и необходимо выбирать из имеющихся в наличии наиболее близкий по диаметру.

Дальнейший расчет актуален для простых пылезаборных трубок. Расход газа при работе с нулевыми трубками устанавливается прямо во время отбора пробы!

— Определить, при каком расходе газа, в условиях газохода будет обеспечиваться изокинетичность с выбранным наконечником.

Расход, устанавливаемый по формуле 4 соответствует расходу газа, находящегося в условиях газохода (температура, давление). Но так как мы устанавливаем расход газа на шкале аспиратора, где состояние газа иное, нужно установить, какой расход на аспираторе соответствует найденному Lг (л/мин).
— Определить расход газа в условиях, формирующихся перед ротаметром:

Где, Ра (кПа) — атмосферное давление газа в месте отбора, Рг (кПа) и Рр (кПа) избыточное давление или разряжение (с минусом) в газоходе или у ротаметра соответственно, tг (оC) и tр (оC) температура газа в газоходе или у ротаметра соответственно.
Из формулы 5 следует, что для расчета мы должны использовать данные Рр (кПа) и tр (оC), однако эти параметры могут быть установлены только во время отбора самой пробы. Для того чтобы определить эти значения, необходимо провести предварительный отбор при расходе газа Lг (л/мин) с установленной в месте отбора пылезаборной трубкой и установленным фильтром аналогичным тому, что будет использован при отборе. Во время этой предварительной процедуры можно измерить значения давления и температуры, устанавливающиеся перед ротаметром для использования в Ф.5.
В результате расчета по формуле 5 мы получаем расход газа перед ротаметром, при котором обеспечивается изокинетичность отбора пробы. Однако, шкала измерителя расхода аспиратора нанесена для конкретных условий газа, которые отличаются от условий перед ротаметром. Таким образом, нам нужно еще установить, какое значение на шкале аспиратора соответствует Lрот (л/мин).
— Определяем расход по шкале аспиратора:

Где, ρ рот (кг/м3) и ρ асп (кг/м3) — плотность газа перед ротаметром и плотность газа, по которой нанесена шкала аспиратора.
В результате расчета по формуле 6 мы получаем значение, которое нужно выставить на шкале аспиратора для отбора проб с соблюдением условия изокинетичности.
Очевидно, что применение таких формул «на коленке» затруднительно и требует автоматизации расчета. В настоящее время коллектив ООО «СБ-Техника» работает, в том числе, над приложением для смартфонов, позволяющим автоматизировать расчеты, что позволит сэкономить время и трудозатраты, не потеряв в точности.

Отбор пробы
Отбор пробы, в случае с простой пылезаборной трубкой, осуществляется при Lасп (л/мин) или при настраиваемом расходе с пылезоборной трубкой нулевого типа.
Проблемным вопросом в исполнении ГОСТ 33 007–2014 остается то, как трактовать фразу «измерения необходимо проводить во всех рабочих точках» в п. 6.3 (при неравномерности по сечению более 15%):
— Если имеется ввиду отдельный отбор в каждой точке, то процедура растягивается по времени и кроме избыточных трудозатрат еще возникает проблема с тем, что не каждая установка может работать так долго.
— Если имеется ввиду отбор одной пробы с равномерным распределением времени нахождения трубки по точкам, то осуществлять его можно только трубкой нулевого типа, так как заведомо известно, что в течение отбора пробы перепад скоростей составит более 15%.

Работа с трубками нулевого типа
Отбор осуществляется в соответствии с п 5.4.4 ГОСТ 33 007–2014.
В целом применение трубок нулевого типа является более рациональным и универсальным вариантом отбора проб, допустимым при любом варианте перепадов скоростей.
Такой способ позволяет поддерживать нужный расход газа и изменять расход при необходимости, поддерживая изокинетичность даже когда скорость газа в газоходе изменяется. При этом, нет необходимости заниматься предварительными расчетами расхода газа.
Но есть также и минусы работы с нулевой трубкой, ограничивающие их повсеместное применение, а именно:
— Трубки нулевого типа включают в себя несколько каналов: пылезаборный канал и два канала передачи давления. Всё это требует массивного корпуса, обладающего значительно большей массой, чем у простой пылезаборной трубки.
— Ранее трубки не имели регулировки размера наконечника, что часто приводило к необходимости устанавливать или неприемлемо маленький расход газа, или наоборот — превышающий возможности аспиратора.
Обе эти проблемы решаются новыми наконечниками нулевого типа, производства ООО «СБ-Техника». Наконечники нулевого типа соответствуют свойствам и функционалу трубок нулевого типа, однако, представляют из себя небольшие металлические наконечники, накручивающиеся на простую пылезаборную трубку (аналогично простым сменным наконечникам), с использованием силиконовых шлангов. Небольшой размер и масса позволяют при пробоотборе иметь при себе комплект наконечников различных диаметров. Это позволит отбирать пробы с оптимальным расходом, что экономит время и трудозатраты пробоотборщика.
Наконечники поступят в продажу уже к новому году.