CC BY
4
© В. М МЛЛЫХИН. С. А. ТОРОПОВ. 1993 УДК 613.632.4-074
В. М. Малыхин, С. А. Торопов
К МЕТОДИКЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДЛЯ ГРУППЫ ДИАПАЗОНОВ ДИСПЕРСНОСТИ АЭРОЗОЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА
НИИ гигиены морского транспорта, Санкт-Петербург
Современные технические средства и методы, применяемые в электронной промышленности, предъявляют высокие требования к качеству воздушной среды производственных помещений и гермозон технологического оборудования (Г1ГТО). Это обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования методического обеспечения систем измерения и контроля воздушной среды, поскольку она, являясь средой замкнутой экосистемы, влияет на эргономические условия производства образцов новой техники, работоспособность персонала и качество продукции. Дополнительной, но далеко не малозначимой задачей контроля уровней загрязнения воздуха (УЗВ) является предупреждение попадания в организм персонала достаточно большой группы вредных веществ и соединений — экотокси-кантов (ЭТ) — со специфическим механизмом биологического действия при ингаляционном поступлении, которые потенциально могут попадать в воздух ПГТО, особенно при элементах нештатных ситуаций технологического процесса (консервация, ревизия, ремонтно-восстановнтельные работы технических средств или вспомогательных систем очистки и кондиционирования воздуха). Опыт эксплуатации ряда предприятий и технологических участков показывает, что выполнение требований к уровню полной биологической безопасности и экологотоксикологической защищенности технологий может гарантироваться лишь наличием современных средств ко(ггроля УЗВ и методической базы их функционирования.
Наиболее сложной в системе контроля УЗВ ПГТО остается проблема получения достоверной информации о про-странственно-временном поле концентрации ЭТ. Ввиду уникально широкого спектра распределения по размерам аэродисперсной фазы — носителя (АФН) ЭТ (10~'...10_3 см) [1], сложнейшего и недостаточно изученного механизма депонирования и транспорта ЭТ в организме [6—8], измерительные системы контроля УЗВ с дифференциацией фракций АФН по размерам и необходимым метрологическим обеспечением находятся в стадии опытных разработок. Для определения дисперсного состава аэрозольной фазы носителя ЭТ достаточно широкое распространение приобретают импакторы — приборы, преимуществом которых является разделение на несколько фракций на основе инерционных свойств частиц разного размера, реализованное на каскаде подложек, смонтированных в камере небольшого объема [3—5].
В целях методического обеспечения прикладных работ, связанных с промышленно-санитарным контролем УЗВ, на основе использования импакторов разработана методика формирования информации о распределении размеров аэрозольных частиц АФН ЭТ, которые могут поступать аэрогенным путем в организм человека, откладываться в разных отделах дыхательного тракта, транспортироваться в органы и создавать дозу токсического воздействия [2, 7].
Методика предназначена для анализа и использования калнбровочно-градуировочных данных при проведении измерений УЗВ в ПГТО в случае целесообразности определения дополнительных характеристик по относительному вкладу отдельных фракций дисперсности аэрозоля. В частности, исходными для получения метрологических характеристик контроля УЗВ бериллием с учетом дисперсного состава являются данные лабораторных измерений модельного жидкостного аэрозоля с помощью импакторов, которые выполнены по единой конструкторской документации и отражают вариации калибровочных параметров, .присущие допускам технологии изготовления и сборки деталей прибора. В связи с этим импакторы считаются отдельными экземплярами типового измерительного прибора для контроля полидисперсного аэрозоля в ПГТО.
Методика отражает схему, или алгоритм, анализа измерительной информации с модельным жидкостным аэрозолем, дисперсные характеристики которого с определенной степенью достоверности можно считать известными (установленными в отдельном экспериментальном изучении), и вклю-
чает основные математические преобразования, которые ведут к получению матрицы формирования измерительной информации (МФИИ) для рассматриваемого типа импактора и определяют передаточные коэффициенты для отдельных групп дисперсности аэрозоля, собираемых на каскадах этого импактора. На этом этапе используются данные детального анализа дисперсной структуры модельного жидкостного аэрозоля и результаты статистического анализа распределений дисперсности аэрозоля, задерживаемого отдельными каскадами импакторов.
Впоследствии МФИИ используются для получения набора калибровочных коэффициентов, которые позволяют по данным измерения проводить восстановление укрупненного распределения реального промышленного аэрозоля по 2— 3 фракциям дисперсности. В качестве таких фракций могут быть выбраны как диапазоны дисперсностей, наиболее * существенные для оценки степени биологического воздействия на персонал, так и область дисперсности, нехарактерная для проникновения в организм через дыхательные пути и сравнительно легко удаляемая из ПГТО средствами вентиляции и очистки воздуха.
Методические принципы, используемые в расчетной схеме получения МФИИ для импакторов на основе моделыю калибровочного жидкостного аэрозоля, приводятся здесь на примере получения оценок вклада в распределение АФН ЭТ двух фракций. Обобщение методики на случай определения 3—4 фракций можно произвести, следуя описанному здесь пути, но вводя дополнительные уравнения и соответственно естественным образом увеличивая порядок матриц. В схеме использован ряд обозначений. В частности, для экземпляров импактора приняты наименования Я, (?, 1?, причем Я1,Р2...Р7; <?1. <?2...<?'/; И\,/{2..Л7 — каскады импакторов, на которых удобнее всего контролировать счетную или весовую концентрацию аэрозоля. Формирующая матрица преобразует укрупненное распределение из двух диапазонов дисперсности, относящейся к входному модельному аэрозолю, в измерительные данные импактора, фиксируемые на двух каскадах (или суммарно на каждой из двух выбранных для анализа групп каскадов). При этом вход- в ное распределение аэрозоля с относительными или абсо-лютными значениями концентрации обозначим через В = = (61,В2), а формирующую матрицу МФИИ преобразования его в измерительные данные —. через /^Х (2,2). (В машинном варианте матрица
Г/Й(2,2) =
РМ 11 ЯМ 12 РМ 21 ЯМ 22
(I)
представляется четырехмерным вектором ЯЛ}=(ЯЛЛ1, РМ21, ЯМ12, РМ22) |.
Будем считать, что мы располагаем некоторым типовым импактором, который усредненно эквивалентен по определяющей характеристике (т.е. МФИИ) обобщенному прибору, выполненному в 3 экземплярах. Эти экземпляры, как указывалось выше, собраны с некоторыми допусками и с соответствующим разбросом характеристик отложения, а МФИИ должна определяться исходя из удовлетворительного описания измерительных данных для всех 3 экземпляров прибора. Тогда имеем соотношения: у
РМ-В^Р- РМ В=Я-, РМ-В = $, (2)
и если временно обозначим элементы матрицы ЯМ через .«'(«= 1... 4):
хЗ
х\ х2 хА
то (2) преобразуется в более простой вид:
Первые два из этих соотношений в развернутом виде дают форму (4), (5), а затем и более компактную матричную форму (6):
I I - - I х1 I
Р= I ; I -В <? = \х2 х4 | • В
х2 х4
> Я1 =jc1 ■ ßl -4- 0-f л:3-В2 + 0 k />2 = 0 + *2-ßl+0 + x4-ß2 Ql=x\-B\+0 + x3-B2 + 0 Q2 = 0 + x2-B\+0+x4-B2
(4)
PI SI 0 В 2 0 x\
P2 0 ßl 0 ß 2 x2
Q\ = ßl 0 ß 2 0 x3
Q 2 0 ßl 0 В 2 x4
\Ä\ X=BB,
(5)
(6)
где ßß =
вектор измерительных данных для двух
импакторов на модельном аэрозоле;
А =
ßl 0 82 0 x\
0 ßl 0 B2 x2
ßl 0 ß2 0 ; X= x3
0 ßl 0 B2 x4
Определение коэффициентов формирующей матрицы X можно проводить по схеме (7) —(II), обычно используемой в методе наименьших квадратов,— умножением выражения (6) на ААТ и последующим решением матричного линейного уравнения четвертого порядка:
ААТ-\ВВ=АА-Х\ _ (7)
ААТ-ВВ=ААТ-АА-Х (8)
АА =АА =
ААТ-АА =
В\ О В\ О О В\ О В\ В2 О В2 О О В2 О В2
В\ О В2 О О ßI О В2 В\ О В2 О О ßl О В2
2-ßl2 О 2-В\-В2 О О 2-ßl2 О 2-В\-В2 2-ßl-ß2 О 2-Ö22 О О 2-В\В2 О 2-В2'2
(9)
(10)
AÄT-BB = ßl 0 ßl 0 P1 ßl- (P\+Q 1)
0 ßl 0 ßl P2 ßl- (P2 + Q2)
B2 0 B2 0 Q\ = B2- (Bl+Ql)
0 B2 0 ß2 Q2 ß 2 • (P2+ Q2)
(11)
Таким образом, значения коэффициентов МФИИ определяются решением системы _ ^8) _с учетом вида выражений (10), (11) для матриц АА-ВВ и А А1 -АА. При решении этого уравнения на ЭВМ приняты обозначения (12), используемые в математическом обеспечении матричных расчетов, в частности в пакете прикладных программ БНТР.
ДА==ДДГ.ДД; В==ДДГ-ВЙ. (12)
Матрицы А и В этой фазы преобразований служат для получения нескольких видов МФИИ, которые различаются диапазонами дисперсности моделирующего аэрозоля и номерами используемых ^ля анализа каскадов импакто-ра. В результате вектор X — решение матричного уравнения (8) — дает коэффициенты матрицы формирования (1): РМ= | х4
На втором этапе методика использует матрицу формирования для восстановления относительного соотношения групп различной дисперсности в некоторых диапазонах реального распределения производственного аэрозоля. Для описания этого распределения использована матрица РА (13), совместно с МФИИ определяющая вектор данных измерения 51 (14) по соотношению (15):
РА I I
РА =
РА2
FM • РА = DI ', Dl =
PA = FM,DI.
DI 1 D/2
(13)
(14)
(15)
Иными словами, снова получаем распределение дисперсности реального производственного аэрозоля путем решения матричного уравнения с использованием соответствующей программы для ЭВМ. Машинное обозначение матриц (13) — (15) на этапе работы с программой также стандартизовано с принятым в матричном математическом обеспечении (АА = =РМ\ В= =£>/).
Описанная методика ориентирована на измерение загрязнения воздуха в ПГТО с помощью импакторов (приборов, обеспечивающих определенную сепарацию аэрозолей по дисперсным фракциям) и содержит формализованную схему с двумя этапами преобразований, которые дают возможность: исходя из измерительных данных, получаемых на импакторе при работе с калибровочными (модельными) аэрозолями, с использованием небольших программ строить переходные матрицы так называемые матрицы формирования измерительной информации: получать оценку вклада отдельных укрупненных диапазонов дисперсности в суммарную концентрацию при измерениях импактором в целях контроля условий труда на предприятии или при изучении новых технологических процессов с целью выработки рекомендаций по его совершенствованию по технологическим и гигиеническим критериям.
Форма анализа измерительной информации, приведенная выше для наиболее наглядного варианта восстановления бинарного распределения аэрозоля (распределения по двум дисперсным фракциям), естественно, обобщается для получения большего числа дисперсных групп аэрозоля в анализируемых ПГТО.
Литература
1. Загрязнение воздуха и легкие / Под ред. Е. Ахарансон.-М„ 1983,— С. 32—47.
2. Ковыгин Г. Ф.. Малыхин В. М. // Экстремальная физиология, гигиена и средства индивидуальной защиты.— М„ 1990,— С. 735.
3. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных и измельченных материалов.— Л., 1974.— С. 206-208.
4. Русанов А. А., Янковский С. С. Импакторы для определения дисперсности промышленных пылей.— М., 1970.
5. Янковский С. С.. Градус Л. Я■ // Пром. и сан. очистка газов,— 1987,— № 3,— С. 21—25.
6. Bailey М. R., James А. С. // International Symposium on Biological Implications of Radionuclides Released from Nuclear Industries: Proceedings.— Vienna, 1977.— Vol. I.— P. 465—474.
7. Malykhin V. M., Shamov V. P. // International Radiation Protection Association: Congress, 3-rd.— Washington, 1973.— P. 60.
8. Schaeffer R. // IAEA Conference on the Impact of Nuclear Releases to the Aquatic Environment.— Otaniemi, 1975.— P. 263.
Поступила 20.05.92
