ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ И ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ
PHOTOELECTRIC DEVICE FOR MEASURING CONCENTRATION AND DISPERSION COMPOSITION OF AEROSOLS

Изобретение относится к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для измерения концентрации и функции распределения по размерам аэрозольных частиц в области от пониженных (где можно инициировать поток частиц) до высоких (порядка критического) давлений среды. Устройство может найти применение при мониторинге аэрозольных загрязнений атмосферы или контроле технологических процессов, сопровождающихся вариацией параметров аэрозоля, а также в научных исследованиях.
Измерители концентрации и дисперсного состава аэрозолей известны более 50 лет. В качестве примера можно привести фотоэлектрический анализатор аэрозолей [Конышев Ю.В., Лактионов А.Г. Самолетный фотоэлектрический измеритель облачных капель. Известия АН СССР, сер. ФАО, т.2, 1966, №7, с.766], где использована схема оптического формирования счетного объема, предложенная в работе [Дерягин Б.В., Чураков В.В., Власенко Г.Я. Поточный ультрамикроскоп с автоматическим счетом аэрозольных частиц. Коллоидный ж., 23, вып.2, 1961]. Схема содержит осветительную ветвь, проточную кювету со счетным объемом, систему аспирации аэрозоля, измерительный канал. Осветительная ветвь состоит из источника света, конденсора с диафрагмой и фокусирующей линзы, а измерительный канал включает в себя положительную линзу, собирающую свет, отраженный аэрозольной частицей, диафрагму поля зрения и фотоприемник. Недостаток таких схем состоит в искажении результатов измерения эффектом виньетирования в счетном объеме и относительно узкий интервал измеряемых концентраций.
max
max
Наиболее близким к заявленному техническому решению является аэрозольный фотоэлектрический анализатор [SU 851198, G01N 15/02, 30.07.81]. Это устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит проточную кювету с осветительной зоной (чувствительный объем), измерительный и управляющий каналы. Измерительный канал включает положительную линзу с диафрагмой поля зрения, фотоприемник с усилителем, электрический управляющий ключ и амплитудный анализатор, а управляющий канал - положительную линзу с диафрагмой поля зрения, фотоприемник, усилитель и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ключа измерительного канала. Поскольку размер диафрагмы управляющего канала меньше размера диафрагмы измерительного канала на величину Aα+D, где А - толщина осветительной зоны, α - апертура положительной линзы измерительного канала, D - максимальный диаметр измеряемых частиц, то это позволяет получать сигналы светорассеяния только от частиц, геометрически находящихся вне зоны виньетирования. Электрический ключ измерительного канала позволяет выполнять амплитудный анализ сигнала только от частиц, попавших в зону чувствительного объема, исключающую эффект виньетирования.
Однако прототип имеет недостаточно широкий диапазон измеряемых концентраций (около четырех десятичных порядков).
-1
-1
Следует отметить, что предельная концентрация частиц, позволяющая избегать одновременного попадания двух частиц в чувствительный объем, составляет величину порядка ν, где ν - величина чувствительного объема. Уменьшение счетного объема увеличивает предельно измеряемые концентрации аэрозольных частиц, но одновременно увеличивает время для регистрации одной частицы, численно равное произведению (CQ), где С - концентрация аэрозольных частиц, a Q - объемный расход газа, несущего частицы через чувствительный объем. Существующие схемы фотоэлектрических счетчиков имеют динамический диапазон, охватывающий до пяти порядков по концентрации.
Известно решение, например, в аэрозольном счетчике фирмы TSI [Manual for aerosol TSI counter of model 3775], когда для расширения динамического диапазона по концентрации вводится фотометрическая мода, расширяющая диапазон концентраций частиц. Недостатком этого подхода является полный отказ от измерения размеров индивидуальных частиц.
В основу изобретения поставлена задача - расширение динамического диапазона измерения дисперсного состава и концентрации аэрозольных частиц за счет изменения рабочей зоны и измерительной схемы устройства.
1
2
1
2
Поставленная задача решается заявленным фотоэлектрическим измерителем концентрации и дисперсного состава аэрозолей, который содержит два различных по величине чувствительных объема, один из которых освещен световым пучком с длиной волны λ и снабжен первым измерительным каналом, а второй, меньший по величин, освещен световым пучком с длиной волны λ и снабжен вторым измерительным каналом. Каждый измерительный канал содержит последовательно расположенные светофильтр, пропускающий одну из длин волн λ и λ, фокусирующую линзу, полевую диафрагму, фотоприемник, преобразующий оптический сигнал в электрический импульс, причем указанный электрический импульс поступает в электронный блок, электрические сигналы с которого оцифровываются и накапливаются в блоке промежуточной памяти. Информация из блоков промежуточной памяти первого и второго измерительных каналов скачивается в компьютер, выполняющий амплитудный анализ данных, при этом электронный блок второго измерительного канала вырабатывает и передает сигналы в промежуточную память первого измерительного канала.
1
2
-1
Сущность изобретения заключается в применении двух чувствительных объемов (большего и меньшего), каждый из которых освещен пучком света с различной длиной волны (соответственно λ и λ) и снабжен собственным измерительным каналом (первым и вторым). Это позволяет получать оптические сигналы от одного из чувствительных объемов независимо от другого. Первый измерительный канал является непосредственным измерителем концентрации частиц. При достижении в первом (большем) чувствительном объеме концентрации ν управляющая команда компьютера переключает процесс измерения на второй канал, сопряженный с меньшим чувствительным объемом, что расширяет на несколько порядков динамический диапазон измеряемых концентраций. Отношение числа регистрируемых частиц в первом и втором каналах измеряется перед переключением каналов. Это число используется в качестве поправочного коэффициента при нормировке измерений концентрации во втором канале. Этот алгоритм позволяет избегать измерения геометрических параметров меньшего чувствительного объема.
На чертеже приведена блок-схема заявленного фотоэлектрического измерителя концентрации и дисперсного состава аэрозолей.
1
2
1
2
1
2
1
2
Измеритель содержит два чувствительных объема, различающихся по величине, - больший 1 и меньший 2, каждый из которых снабжен измерительным каналом. Больший объем 1 освещен пучком света 3 с длиной волны λ, а меньший объем 2 - пучком света 4 с длиной волны λ. Каждый измерительный канал для чувствительных объемов 1, 2 включает соответственно фокусирующую линзу 5, 6, перед которой расположен светофильтр 7, 8, пропускающий свет с λ, λ, полевую диафрагму 9, 10, задающую геометрические размеры чувствительного объема 1, 2, последовательно соединенные фотоприемник (ФП) 11, 12, электронный блок (ЭБ) 13, 14, блок промежуточной памяти (П) 15, (П) 16. Обработку накопленных в П и П сигналов осуществляет компьютер (PC) 17.
Входящие в электронный блок логарифмический усилитель и АЦП на чертеже не показаны.
Фотоэлектрический измеритель работает следующим образом.
Аэрозольные частицы поштучно проходят чувствительные объемы 1 и/или 2, сформированные пересечением световых пучков 3, 4 и полей зрения фокусирующих линз 5, 6. Светофильтр 7 пропускает свет, рассеянный частицей, проходящей через чувствительный объем 1, а светофильтр 8 - свет, рассеянный частицей, проходящей через чувствительный объем 2. Прошедший светофильтр 7, 8 свет фокусируется линзой 5, 6 на экране полевой диафрагмы 9, 10 и затем регистрируется фотоприемником 11, 12, в котором оптический сигнал преобразуется в электрический импульс, поступающий в электронный блок 13, 14, где сигнал усиливается, оцифровывается, а затем передается в блок промежуточной памяти 15, 16 и накапливается в нем. По команде информация из блоков памяти 15, 16 скачивается в компьютер 17, где выполняется амплитудный анализ данных, позволяющий находить распределение частиц по размерам. Электронный блок 14 вырабатывает и передает в блок памяти 15 сигналы (канал «сигнал-метка»), позволяющие пометить импульсы от частиц, прошедших через оба чувствительных объема 1, 2. В области концентраций, позволяющих проведение измерений размеров частиц в обоих измерительных каналах, устанавливается эмпирическая поправка к спектру размеров на эффект виньетирования во втором измерительном канале и на возможную неоднородность интенсивности освещения в первом канале. Поправка вводится в предположении слабой зависимости спектра размеров от концентрации частиц. Эффект виньетирования в первом измерительном канале полностью исключается при рассмотрении сигналов от частиц, которые зарегистрированы двумя чувствительными объемами в условиях поштучной регистрации частиц в каждом объеме.
Таким образом, введение в схему фотоэлектрического измерителя концентрации и дисперсного состава аэрозолей двух различных по величине чувствительных объемов, каждый из которых снабжен своим измерительным каналом, позволяет на несколько порядков расширить динамический диапазон измеряемых концентраций частиц с одновременной возможностью корректного измерения в реальном времени дисперсного состава.
Следует также отметить, что использование аспирационного тракта с измерительной ячейкой, изготовленной из достаточно прочных конструкционных материалов, позволяет охватить измерителем диапазон давлений среды от малых, где можно инициировать поток частиц, до околокритических (несколько сотен бар).