ES2921327B2 - Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire y procedimiento de medición de la calidad del aire con el mismo - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire y procedimiento de medición de la calidad del aire con el mismo

Campo técnico de la invención

La presente invención corresponde al campo técnico de los equipos de medición de la calidad del aire, que comprende un sensor de partículas, un sensor de gases, unos medios de conducción del aire entre ambos formados por tramos de conducción y una bomba de succión y, unos medios de control del equipo, y en concreto a un dispositivo de secado de estos equipos de medición.

Antecedentes de la Invención

En la actualidad los equipos existentes para la medición de la calidad del aire están diseñados y probados para trabajar con unas condiciones muy específicas, como es el caso de temperaturas medias estables, cercanas a 25°C y humedades que suelen tomar dos tendencias: valores medios (los más favorables), cuyo valor más usual es el 50%Hr y valores de aire seco (menor del 5%Hr), ya que los equipos comerciales de generación de aerosoles utilizan este aire en su proceso de generación de partículas.

Cuando los sensores trabajan en porcentajes mayores del 80%, la respuesta se ve ampliamente afectada con respecto a los valores de laboratorio, ya que las partículas sufren procesos de nucleación, esto es, un aumento o crecimiento del diámetro de la partícula.

Así pues, el comportamiento de los sistemas de medición de la calidad del aire actuales, o sistemas de medición de partículas en el aire (PM), cuando el sensor de PM trabaja de manera continuada (más de 72h) a bajas humedades aproximadamente menores del 10%, se ve afectado por los procesos de secado y/o fracturación que sufren las partículas, modificándose las propiedades habituales de éstas, lo cual afecta en la naturaleza del aire, y por ello se obtienen medidas más altas de concentración para las fracciones más bajas, en comparación de los valores estándares.

Actualmente existen cuatro métodos oficiales para la medición de partículas. El primero de ellos es el LSAPC, contadores de partículas contenidas en el aire por dispersión de la luz.

Este aparato es capaz de contar y dimensionar partículas individuales contenidas en el aire y registrar los datos de las dimensiones en términos del diámetro óptico equivalente.

El segundo método es el contador de macropartículas discretas, que utiliza un aparato capaz de contar y dimensionar macropartículas individuales transportadas en el aire, en un rango de 5 a 80 ^m, con una resolución del 20% para las partículas de calibración de un tamaño especificado por el fabricante y con un error máximo permitido del 20% para un contaje de partículas con un ajuste del tamaño especificado.

Un tercer método consiste en un equipo de dimensionado de las partículas por el tiempo de vuelo y utiliza un aparato para contar y dimensionar las partículas individuales que define el diámetro aerodinámico de las mismas por medición del tiempo que requiere una partícula para adaptarse a un cambio en la velocidad del aire. Esto se realiza habitualmente midiendo ópticamente el tiempo de tránsito de la partícula después de un cambio en la velocidad de la corriente de fluido.

Finalmente, el cuarto método es el de medición microscópica de las partículas recogidas en un filtro de papel. Se trata de un método tradicional a través de colectores en el que se realiza la recogida por medio de filtración o de efectos inerciales, seguida de una medición microscópica del número y del tamaño de las partículas recogidas.

Por otra parte, en la actualidad existen dos tipos de sensores o soluciones comerciales capaces de medir las partículas en suspensión iguales o inferiores a 2.5 ^g/m3 y, estos son los contadores de partículas y los nefelómetros.

Los contadores de partículas miden la cantidad de partículas de un rango de tamaño predeterminado y muestran un histograma de las partículas que existen en ese rango. Además, es capaz de informar de las partículas totales que hay por metro cúbico. Para poder hacer mediciones precisas por m3, necesita flujos superiores a 2,5 l/min, que junto con el tamaño de la sección de paso analizada (normalmente un círculo), completa el análisis dimensional para obtener información en m3.

El otro tipo de sensor de partículas es el llamado nefelómetro, que aporta información sobre el flujo másico en ^g/m3, es decir, estiman la densidad mediante el arrastre de las partículas, y transforman esos datos, junto a los propios del sensor óptico, en caudales másicos.

Además, también informan de los parámetros estándar el PM10, PM2.5, esta vez en unidades ^g/m3.

La detección de los sensores de partículas o polvo se basa en el principio de difracción de la luz, es decir, cuando un rayo de luz se encuentra con un obstáculo, como sería una partícula, no lo puede atravesar y genera una sombra o se desvía (depende del tamaño y naturaleza). Estas sombras y el conjunto de haces de luz que llega al fotodiodo (sensor sensible a la luz) se transforma nuevamente en una señal eléctrica, que es medible y linealmente dependiente con la cantidad y tamaño de las partículas.

Al mismo tiempo que se realiza el recuento, se determina el diámetro de las partículas, lo que permite clasificar los recuentos en contenedores de tamaño definido. El uso de estos silos de tamaño específico, junto con la suposición de que todas las partículas medidas son esféricas y tienen una densidad estandarizada, permite la estimación precisa de la masa de las partículas. Esto se puede desglosar en fracciones dependiendo de su tamaño. El tamaño de las partículas se determina a partir de la intensidad de la luz dispersa y, el número de partículas a partir del número de impulsos de luz dispersos por partículas individuales.

En general, el funcionamiento de un sensor de partículas consiste en que el aire es absorbido y obligado a pasar por un haz de luz estable y controlado mediante lentes. Este haz de luz refleja en el fotodiodo, que es sensible a la luz y manda la señal al conversor fotoeléctrico, que traduce los mA en una señal que puede ser tratada mediante computación.

Las dimensiones de las partículas entre 0,02 y 20 ^m se pueden medir con un equipo de medición del tiempo de vuelo. Se introduce una muestra de aire en el equipo y se acelera por expansión a través de una boquilla en un vacío parcial, donde se sitúa la zona de medición. Todas las partículas en esta muestra de aire se aceleran hasta igualar la velocidad del aire en la zona de medición. La velocidad de aceleración de las partículas varía inversamente con la masa de la partícula. La relación entre la velocidad del aire y la velocidad de la partícula en el punto de medición se puede utilizar para determinar el diámetro aerodinámico de la partícula. Así pues, conociendo la diferencia de presión entre el aire ambiente y la presión en la zona de medición, se puede calcular directamente la velocidad del aire. La velocidad de las partículas se mide por medio del tiempo de vuelo entre dos rayos láser. El equipo de medición por el tiempo de vuelo debe medir los diámetros aerodinámicos de partículas hasta 20 ^m.

En base al concepto de difracción de la luz, hay que remarcar un parámetro crítico para este sensor, que es el nivel de humedad del medio, ya que la humedad se compone de micropartículas de agua, que dejan pasar la luz, pero que desvían el haz o lo concentran, dependiendo del ángulo de incisión. Además, en un ambiente húmedo, algunas partículas sufren procesos de conglomeración, es decir, se forman coágulos o conjuntos de partículas pegadas que, a nivel del sensor, actúan como una única partícula grande.

Así pues, un aumento de la humedad influye completamente en el comportamiento de los sensores de PM existentes en el mercado. Se ha comprobado que en ambientes con humedad superior al 60%, el aumento de la humedad ambiental en el ciclo nocturno influye en la capacidad del sensor para obtener datos fiables y precisos, ya que niveles superiores al 60% de humedad en el ambiente provocan una gran dispersión en los datos recuperados del sistema.

Por tanto, existe una clara influencia de la humedad en la señal de este tipo de sensor que mide las partículas higroscópicas del medio. Esta relación es mayor en el PM2.5 que en el PM10, pues a mayor tamaño de partícula el dispositivo tiene mayor capacidad para distinguir el efecto de un sólido que de una molécula de agua.

Resulta por tanto necesario encontrar un modo de controlar la humedad del aire en los aparatos de medición de la calidad del mismo, para conseguir una uniformidad en este parámetro dentro de unos valores predefinidos como apropiados, para evitar que afecten a los resultados de las mediciones. No se ha encontrado en el estado de la técnica ningún dispositivo con este fin ni que consiga este efecto.

Descripción de la invención

El medidor en continuo de partículas, para equipos de medición de la calidad del aire que aquí se presenta, se refiere a equipos de medición que comprenden un sensor de partículas, un sensor de gases, unos medios de conducción del aire entre ambos formados por tramos de conducción y por una bomba de succión, unos medios de control del equipo y, al menos una primera y segunda columnas de secado que presentan una entrada o salida del aire del exterior.

En este medidor en continuo de partículas la primera y segunda columnas de secado comprenden en su interior unos medios de adsorción con capacidad de regeneración.

Así mismo, estas dos columnas de secado comprenden sendos sensores de temperatura y humedad dispuestos en un primer y segundo extremos opuestos de la misma, una bombilla infrarroja, una membrana de filtrado de la humedad con un tamaño de orificio de paso menor que el de las partículas a tratar, y tal que divide el espacio interior de la columna de secado en una zona de paso y secado del aire y una zona de retención de la humedad que presenta los medios de adsorción

Con ello se consigue que, al menos una primera columna de secado está secando el aire de entrada que posteriormente pasa por el sensor de partículas, y la función de secado de esta primera columna se mantiene mientras los medios de adsorción de la misma presentan capacidad de adsorción.

Así mismo, al menos una segunda columna está devolviendo la humedad al aire previamente secado antes de su salida del equipo, y esta función de humectación de la segunda columna se mantiene mientras los medios de adsorción de la misma se regeneran desprendiendo la humedad previamente adsorbida.

En esta memoria se propone igualmente un procedimiento de medición de la calidad del aire mediante equipos de medición con un medidor en continuo de partículas como el definido previamente.

Este procedimiento de medición comprende la entrada de aire a través de al menos una primera columna de secado del medidor en continuo, para la adsorción de la humedad del aire y su secado mediante unos medios de adsorción, de forma previa al paso del mismo por el sensor de partículas, así como la entrada de aire a través del sensor de gases y su la salida del aire a través de al menos una segunda columna, cuyos medios de adsorción están saturados de humedad adsorbida previamente, para la humectación del aire mediante la regeneración de dichos medios de adsorción, donde la al menos una electroválvula y unos medios de control del medidor en continuo realizan el control de la dirección de entrada y salida del aire a través de una u otra columnas de secado de forma alternativa.

Con el medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica.

Esto es así pues al generar un secado de la humedad del aire se consigue alargar la vida útil de los sensores de partículas. Además, se logra un aumento de la fiabilidad de los datos obtenidos con la monitorización de partículas en suspensión tras eliminar o reducir al máximo la influencia de los factores ambientales sobre los sensores de partículas.

La implantación de las columnas de secado mejora la respuesta, atendiendo a unos mejores resultados de correlación y regresión.

Por otro lado, evita que el sensor funcione en condiciones extremas de humedad o bajas temperaturas, más común durante los periodos nocturnos (donde las temperaturas descienden y la humedad aumenta drásticamente), climas tropicales, zonas lluviosas, etc. donde se suelen alcanzar condiciones de condensación por alta humedad, con humedades que rondan entre el 80 y el 86%.

Gracias a este medidor en continuo de partículas es posible estabilizar la humedad y temperatura dentro del sistema de medición de forma sostenible y eficaz y, además, con bajo coste de mantenimiento, con lo que se consigue mitigar al máximo la alteración de las mediciones, que ocurren en los equipos de medición tanto si trabajan durante un tiempo excesivo a bajas humedades, lo que genera procesos de secado y/o fracturación de las partículas, como si trabajan a humedades excesivas, que producen procesos de nucleación, con el aumento o crecimiento del diámetro de las partículas.

Además presenta la importante ventaja de que al ser un medidor en continuo, mientras al menos una columna de secado está encargándose de eliminar la humedad excesiva del aire, al menos otra columna, que tiene sus medios de adsorción previamente saturados, se ocupa de devolver la humedad al aire antes de su salida del equipo.

De este modo, estos medios de adsorción saturados, van perdiendo su humedad, al devolvérsela al aire, y adquieren de nuevo capacidad de adsorción, quedando preparados para su utilización en la fase de secado, para eliminar la humedad del aire en el momento en que se saturen los medios de adsorción que estaban ocupando del secando hasta ese momento.

Resulta por tanto un medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire muy eficaz, que permite resolver los problemas existentes en este campo en la actualidad.

Breve descripción de los dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra un esquema del medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire, para una realización preferida.

La Figura 2.- Muestra un diagrama de flujos del medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire con un primer sentido de circulación del aire, para una realización preferida.

La Figura 3.- Muestra un diagrama de flujos del medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire con un segundo sentido de circulación del aire, para una realización preferida.

La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de una membrana de filtrado de la humedad del medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire con un segundo sentido de circulación del aire, para una realización preferida.

La Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de una columna de filtrado con una membrana de filtrado en su interior, para equipos de medición de la calidad del aire con un segundo sentido de circulación del aire, para una realización preferida.

La Figura 6.- Muestra un esquema de circulación del flujo de aire para ambos sentidos de circulación, para equipos de medición de la calidad del aire con un segundo sentido de circulación del aire, para una realización

Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención

A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un modo de realización preferente de la invención, el medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire, que aquí se propone, está dirigido a equipos que comprenden un sensor de partículas (3), un sensor de gases (4), unos medios de conducción del aire entre ambos formados por tramos de conducción (5) y por una bomba de succión (6), unos medios de control del equipo y, al menos una primera y segunda columnas de secado que presentan una entrada o salida del aire del exterior. En este modo de realización preferente de la invención, el medidor está formado por dos columnas en total.

En este medidor en continuo, la primera y segunda columnas de secado (1, 2) comprenden en su interior unos medios de adsorción en su interior con capacidad de regeneración.

Como se muestra en la Figura 1, dichas primera y segunda columnas de secado (1, 2) comprenden además en su interior sendos sensores de temperatura y humedad (8) dispuestos en un primer y segundo extremos opuestos de la misma, una bombilla (9) infrarroja, una membrana de filtrado (10) de la humedad con un tamaño de orificio de paso menor que el de las partículas a tratar, y tal que divide el espacio interior de la columna de secado (1, 2) en una zona de paso (11) y secado del aire y una zona de retención (12) de la humedad que presenta los medios de adsorción.

Estas primera y segunda columnas de secado (1, 2) están conectadas al equipo a través de al menos una electroválvula (7) conectada a su vez al sensor de partículas (3) y a la bomba de succión (6). Como puede observarse en las Figuras 2 y 3, en este modo de realización preferida cada columna de secado está conectada mediante una electroválvula (7) respectivamente.

Así pues, como puede observarse en la Figura 2, al menos una primera columna de secado (1), en este caso una de las dos existentes, está secando el aire de entrada, que accede a esta primera columna de secado (1) a través de la entrada (1.1) de la misma y posteriormente pasa por el sensor de partículas (3). La función de secado de esta primera columna de secado (1) se mantiene mientras los medios de adsorción de la misma presentan capacidad de adsorción. Así mismo, se produce una entrada de aire a través del sensor de gases (4) y al menos una segunda columna de secado (2), en este caso la otra columna existente, está devolviendo la humedad al aire previamente secado antes de su salida del equipo por la salida (2.1) existente en la misma. Esta función de humectación de la segunda columna de secado (2) se mantiene mientras los medios de adsorción de la misma se regeneran desprendiendo la humedad previamente adsorbida.

Además, en este caso, este medidor en continuo comprende medios de control formados por una placa de control con dos relés para activación de la al menos una electroválvula (7) y conexiones a los sensores de temperatura y humedad (8) y a la bombilla (9) de ambas columnas.

En este modo de realización la al menos una electroválvula (7) es apta para gases sin presión de vacío. En concreto, en este caso, el medidor presenta dos electroválvulas (7) 3/2 para gases sin presión de vacío, combinadas, para poder invertir el flujo de aire, pero en otros modos de realización puede utilizarse una única válvula 5/3.

En este modo de realización preferida, como se muestra en las Figuras 4 y 5, la membrana de filtrado (10) de la humedad tiene forma longitudinal y está dispuesta entre el primer y segundo extremos de la columna de secado (1,2).

Esta membrana de filtrado (10) está formada por sendos tramos extremos (10.1) de forma troncocónica tal que la base mayor de los mismos está conectada con el primer o el segundo extremo de la columna de filtrado (1, 2) respectivamente y un canal central (10.2) de conexión entre ambos tramos extremos (10.1). La zona de paso (11) y secado del aire está formada por el espacio interior a dicha membrana de filtrado (10) y, como se muestra en dicha Figura 5, los medios de adsorción están en el espacio exterior a la misma, de manera que al tener esta membrana de filtrado (10) un tamaño de paso muy inferior al de las partículas a tratar, presenta la capacidad de transferir la humedad del aire al espacio exterior a la membrana de filtrado (10), al ser adsorbida por los medios de filtrado, mientras que las partículas quedan retenidas junto al aire en el espacio interior a la misma.

En este modo de realización preferida los medios de adsorción están formados por un relleno (13) de material adsorbente, estando formado en este caso en concreto por gel de sílice. Además, en este caso, el gel de sílice presenta un tamaño de esfera comprendido entre 2 y 7mm y tiene un pH de entre 3,7 a 7.

En esta memoria se presenta a su vez un procedimiento de medición de la calidad del aire mediante equipos de medición con un medidor en continuo de partículas como el definido previamente, que comprende la entrada (14) de aire a través de al menos una primera columna de secado (1) del medidor en continuo, por una entrada (1.1) de la misma, que en este caso como se muestra en las Figuras 2 y 6, es a través de una única columna de secado, para la adsorción de la humedad del aire y su secado mediante unos medios de adsorción, de forma previa al paso del mismo por el sensor de partículas (3) y a continuación, la salida del aire (15) del medidor. En la Figura 6, se representa este primer sentido de circulación del aire mediante flechas sin relleno.

Así mismo, se realiza una entrada de aire (14) a través del sensor de gases (4) y se produce la salida (15) del mismo a través de al menos una segunda columna de secado (2), en este caso la otra columna se secado restante del medidor, por la salida (2.1) de la misma, cuyos medios de adsorción están saturados de humedad adsorbida previamente, para la humectación del aire, mediante la regeneración de dichos medios de adsorción, donde la al menos una electroválvula (7) y unos medios de control del medidor en continuo realizan el control de la dirección de entrada y salida del aire a través de una u otra columnas de secado (1, 2) de forma alternativa.

Cuando los medios de filtrado de la primera columna de filtrado (1) se saturan y los de la segunda columna de filtrado (2) pierden toda la humedad que llevaban, mediante las dos electroválvulas (7) de este medidor se invierte el sentido de circulación del aire y se realiza una entrada de aire (16) por la entrada (2.1) de la segunda columna de secado (2), que pasa a ser la que realiza el secado del aire, de forma previa al paso del mismo por el sensor de partículas (3) y su salida (15) del medidor. Como se muestra en las Figuras 3 y 6, se produce igualmente, una entrada de aire (16) a través del sensor de gases (4) y en este caso es la primera columna de secado (1) la que se encarga de devolver la humedad al aire, mediante la desorción del relleno (13) de material adsorbente, antes de la salida (17) del mismo por dicha primera columna de secado (1), que en este caso presenta una salida (1.1) del mismo. En la Figura 6 se ha representado este segundo sentido de circulación mediante flechas con relleno rayado.

La forma de realización descrita constituye únicamente un ejemplo de la presente invención, por tanto, los detalles, términos y frases específicos utilizados en la presente memoria no se han de considerar como limitativos, sino que han de entenderse únicamente como una base para las reivindicaciones y como una base representativa que proporcione una descripción comprensible así como la información suficiente al experto en la materia para aplicar la presente invención.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Medidor en continuo de partículas para equipos de medición de la calidad del aire, que comprende

   - un sensor de partículas (3);

   - un sensor de gases (4);

   - unos medios de conducción del aire formados por tramos de conducción (5) y por dos bombas de succión (6);

   - unos medios de control del equipo, y;

   - al menos una primera y segunda columnas de secado (1, 2) que presentan una entrada o salida del aire del exterior;

   caracterizado por quela primera y segunda columnas de secado (1, 2) comprenden en su interior

   - unos medios de adsorción con capacidad de regeneración;

   - sendos sensores de temperatura y humedad (8) dispuestos en un primer y segundo extremos opuestos de la misma;

   - una bombilla (9) infrarroja situada en el extremo opuesto a la salida de aire al exterior o en la parte superior de la columna de secado;

   - una membrana de filtrado (10) de la humedad con un tamaño de orificio de paso menor que el de las partículas a tratar, y tal que divide el espacio interior de la columna de secado en una zona de paso (11) y secado del aire, y una zona de retención (12) de la humedad que presenta los medios de adsorción.

   2- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según la reivindicación 1,caracterizado por quela primera y segunda columnas (1, 2) de secado están conectadas al equipo a través de al menos una electroválvula (7) conectada a su vez al sensor de partículas (3) y a la bomba de succión (6).

   3- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según la reivindicación 2,caracterizado por quecomprende medios de control formados por una placa de control con dos relés para activación de la al menos una electroválvula (7) y conexiones a los sensores de temperatura y humedad (8) y a la bombilla (9) de ambas primera y segunda columnas (1,2).

   4- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3,caracterizado por quela al menos una electroválvula (7) es apta para gases sin presión de vacío.

   5- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela membrana de filtrado (10) de la humedad tiene forma longitudinal, está dispuesta entre el primer y segundo extremos de la columna de secado (1, 2), y está formada por sendos tramos extremos (10.1) de forma troncocónica tal que la base mayor de los mismos está conectada con el primer o el segundo extremo de la columna de secado (1, 2) respectivamente y un canal central (10.2) de conexión entre ambos tramos extremos (10.1), y donde la zona de paso (11) y secado del aire está formada por el espacio interior a dicha membrana de filtrado (10).

   6- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quelos medios de adsorción están formados por un relleno (13) de material adsorbente.

   7- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según la reivindicación 6,caracterizado por queel material adsorbente está formado por gel de sílice.

   8- Medidor en continuo para equipos de medición de la calidad del aire, según la reivindicación 7,caracterizado por queel gel de sílice presenta un tamaño de esfera comprendido entre 2 y 7mm y tiene un pH de entre 3,7 a 7.

   9- Procedimiento de medición de la calidad del aire mediante equipos de medición con un medidor en continuo de partículas como el definido en las reivindicaciones 1 a 8,caracterizado por quecomprende

   - la entrada de aire a través de al menos una primera columna de secado (1) del medidor en continuo cuya bombilla infrarroja está apagada, para la adsorción de la humedad del aire y su secado mediante unos medios de adsorción, de forma previa al paso del mismo por el sensor de partículas (3) y su salida al exterior, y;

   - la entrada de aire a través del sensor de gases (4), y su salida a través de al menos una segunda columna de secado (2), cuya bombilla está encendida y cuyos medios de adsorción están saturados de humedad adsorbida previamente, para la humectación del aire mediante la regeneración de dichos medios de adsorción; - donde la al menos una electroválvula (7) y unos medios de control del medidor en continuo realizan el control de la dirección de entrada y salida del aire a través de una u otra columnas de secado (1, 2) de forma alternativa;

   - y donde los medios de control realizan el control del encendido y apagado de las bombillas según la dirección de entrada y salida del aire a través de una u otra columna de secado de forma alternativa.