ОПТИЧЕСКИЙ ПЫЛЕМЕР
OPTICAL DUST METER

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике.
Изобретение может быть использовано в промышленности для определения средней концентрации, с целью управления вентиляционным оборудованием предприятия по пылевому фактору, а так же для определения среднего размера частиц пыли и, в свою очередь, общей доли респирабельной фракции пыли, вызывающей  профессиональные легочные заболевания рабочих.
Известен оптический пылемер (Пат. России № 2095792, кл. МПК G01N21/85, опубл. 10.11.1997) для непрерывного измерения запыленности газов. Сущность изобретения: в оптическом пылемере первый излучатель расположен перед рабочей камерой, формирует измерительный канал и оптически связан с фотоприемником через защитные окна рабочей камеры, второй излучатель расположен за рабочей камерой, формирует контрольный канал и оптически связан с фотоприемником, третий излучатель расположен внутри устройства за рабочей камерой, формирует дополнительный контрольный канал и оптически связан с фотоприемником через защитное окно, при этом все излучатели выполнены с возможностью поочередного включения.
Недостатком указанного устройства  является низкая точность измерений.
Известен оптический абсорбционный пылемер (Клименко А.П, Королёв В.И., Швецов В.И. Непрерывный контроль концентрации пыли. Киев:”Техника”, 1980- с. 62-65). Принцип работы устройства заключается в следующем: свет от источника формируется в два потока. Один из них отправляется в газоход с измеряемой пылегазовой средой и, с помощью системы зеркал, проходит через коммутатор каналов и воспринимается фотоприёмником. Второй световой поток проходит через эталонный канал, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного промышленного предприятия. Световой поток, прошедший эталонный канал, с помощью системы зеркал попадает на коммутатор каналов и воспринимается тем же фотоприёмником. Сигнал с выхода фотоприёмника поступает на усилитель, далее на блок разделения измерительного сигнала и сигнала сравнения, далее на логарифмирующие устройство, результаты измерения регистрируются измерительным прибором.
Недостатком указанного устройства  является низкая точность измерений.
Известен оптический пылемер для системы управления проветриванием предприятия (Пат. России № 2210070, МПК G01N15/02, опубл. 10.08.2003) выбранный в качестве прототипа.
Оптический пылемер для системы управления проветриванием предприятия содержащий источник света, последовательно соединенный и оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, первый выход которого последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном, с измерительным каналом, вторым защитным окном и первым входом устройства обработки сигнала; второй выход устройства разделения светового потока последовательно соединен и оптически связан с опорным каналом, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своем составу аналогичной отходящим газам конкретного промышленного предприятия, вторым входом устройства обработки сигнала, отличающийся тем, что источник света питается от источника импульсного напряжения, а также дополнительно введено устройство контроля запыленности защитного окна, которое оптически связано с защитным окном в измерительном канале, выход которого является входом для устройства управления, выход которого подключен к устройству обдува, которое осуществляет обдув смотровых окон, также введено устройство контроля температуры, выход которого подключен ко входу устройства обработки сигналов, кроме того, для снижения запыления защитных окон введено устройство подогрева смотровых окон, которое связано с нагревательными элементами, расположенными в смотровых окнах.
Принцип работы устройства заключается в следующем:
Генератор функционально-импульсной развёртки подаёт импульсное напряжение на источник светового излучения, оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, основное назначение которого направлять разделённые световые потоки в измерительный и опорный канал.
Импульсное световое излучение проходя через измерительный канал ослабляется пылью и поступает на фотоприёмник, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.
Импульсное световое излучение проходя через опорный канал изменяется незначительно и поступает на фотоприёмник опорного канала, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.
Устройство контроля запылённости смотрового окна осуществляет управление устройством обдува со специально-закреплёнными на лопастях вентилятора очищающими щётками, автоматически приближающимися к смотровым окнам при работе вентилятора.
К недостаткам указанного устройства  является низкая точность измерений.
Известна оптическая схема и блок- схема  регистрационного устройства для измерения методом флуктуации (Шифрин К.С ”Введение в оптику океана ”,Санкт-Петербург :”Гидрометеоиздат”, 1983 -  с. 225) выбранное в качестве прототипа. Принцип работы регистрационного устройства по указанному методу заключается в следующем. Параллельный пучок от источника света, промодулированный модулятором, проходит сквозь смотровые окна,  кюветы с исследуемой средой и попадает на светоделительное зеркало, которое пропускает центральную часть пучка, а остальной свет посылает на фотоприёмник; из прошедшего света диафрагмой  формируется узкий пучок, который поступает на фотоприёмник . С фотоприемников сигналы поступают на блок, в котором происходит электрическое выравнивание и вычитание сигналов, затем разностный сигнал подаётся на усилитель и далее на синхронный детектор, опорный сигнал на который поступает от фотодиода. Последний освещается светом, промодулированным модулятором. Спектр флюктуаций регистрируется на записывающем блоке.
Недостатком указанного устройства  является низкая точность измерений среднего размера и средней  концентрации частиц пыли.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности непрерывного измерения средней концентрации, а так же определение среднего размера частиц пыли  в изучаемой среде.
Поставленная задача достигается тем, что оптический пылемер  содержит  источник света,  светоделительное зеркало, диафрагму, два фотоприемника,  для повышения точности измерения  дополнительно содержит лазерный дальномер, отражатель, вторую диафрагму, ПЗС-матрицу, второе светоделительное зеркало, три аналого-цифровых  преобразователя,  электро-вычислительную машину (ЭВМ), а в качестве источника света используется лазерный излучатель.
На фиг. 1 изображена специальная функция, связывающая дисперсию с оптической толщиной системы  и средним числом частиц в просвечиваемом объеме.
На фиг.2 представлена блок-схема устройства в соответствии с формулой изобретения.
Устройство содержит  лазерный излучатель 1, отражатель 2, два светоделительных зеркала 3, 8, две диафрагмы 4, 7, два фотоприемника 5, 9, три аналого-цифровых преобразователя 6, 12, 13, лазерный дальномер 10, ПЗС-матрицу 11, ЭВМ 14.
Конструктивно оптический пылемер состоит из передающего и приемного блоков. В состав передающего блока входят: лазерный излучатель 1, отражатель  2, светоделительное зеркало 3, диафрагмы 4 и 7, фотоприемник 5, аналого-цифровой преобразователь 6. Назначение передающего блока – создать регулируемый зондирующий световой поток и измерить интенсивность этого потока на выходе блока. Приемный блок состоит из светоделительного зеркала 8, фотоприемника 9, лазерного дальномера 10, ПЗС-матрицы 11, аналого-цифровых преобразователей 12 и 13, ЭВМ 14.
Работа описываемого устройства основана на так называемом методе флюктуаций. Измерение прозрачности позволяет определить оптическую толщину системы. Если частиц в пучке много, то прозрачность системы испытывает заметные флюктуации. Эти флюктуации вызваны случайными перемещениями частиц, при этом частицы по разному перекрывают друг друга. Во флюктуациях содержится ценная информация о свойствах изучаемой дисперсной системы. Дисперсия прозрачности, помимо толщины системы  зависит непосредственно от числа частиц в изучаемом объекте, так что одновременное измерение прозрачности и дисперсии среды даёт нам возможность определения как среднего размера, так и концентрации частиц.
В ходе моделирования с помощью теоремы Робинса для дисперсной среды, состоящей из одинаковых частиц сферической формы, получены проекции поперечника ослабления всех частиц, находящихся в освещенном объеме, на поперечное сечение падающего светового пучка. В результате данного моделирования определены следующие выражения для метода флюктуаций.
Средний радиус частиц:
,                                    (1)
0  -
где: Sсредний поперечник ослабления света частицей.
Средний поперечник ослабления света частицей, имеющий размерность площади:
(2)
где: D – дисперсия оптического сигнала;
S – площадь поперечного сечения пучка света;
– интенсивность падающего пучка света;
τ – оптическая толщина системы;
φ(τ) – специальная функция, связывающая дисперсию с оптической толщиной системы  и средним числом частиц в просвечиваемом объеме (фиг. 1).
Дисперсия оптического сигнала (определяется на основании статистического анализа результатов многократных измерений):
,                           (3)
где:  – средняя интенсивность прошедшего через среду параллельного пучка света,
i
I - интенсивность прошедшего через среду параллельного пучка света при i-м измерении,
N – количество измерений интенсивности прошедшего через среду параллельного пучка света.
Средняя интенсивность прошедшего через среду параллельного пучка света:
.                                       (4)
Оптическая толщина системы определяется с помощью формулы:
.                                  (5)
Средняя концентрация частиц:
,                                  (6)
где:  – длина пути света в исследуемой среде.
Анализ выражений (1)-(6) показывает, что для расчета значений среднего размера частиц пыли и их средней концентрации необходимо произвести серию измерений следующих параметров:
- интенсивности падающего пучка света, т.е. интенсивности изучения на входе в исследуемую среду;
- интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду;
- площади поперечного сечения пучка света;
- длины пути света в исследуемой среде.
Приемный блок выполняет следующие функции:
– измерение длины светового луча в исследуемом объёме;
- измерение интенсивности и площади зондирующего светового потока, прошедшего через исследуемый объем воздуха;
- расчет по формулам (1) – (6) значения среднего размера частиц пыли и их средней концентрации.
Процесс измерения оптическим пылемером состоит из трех этапов.
На первом этапе от ЭВМ 14 подается запускающий сигнал на лазерный дальномер 10, который измеряет расстояние до отражателя 2, находящемся в передающем блоке. Положение лазерного дальномера 10 в приемном блоке отрегулировано так, чтобы расстояние до отражателя 2 равнялось расстоянию между центрами светоделительных зеркал 3 и 8. Таким образом, информация о длине пути в исследуемой среде поступает от лазерного дальномера 10 в ЭВМ 14.
На втором этапе производится синхронное циклическое измерение следующих параметров:
- интенсивности падающего пучка света, т.е. интенсивности изучения на входе в исследуемую среду;
- интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду;
- площади поперечного сечения пучка света.
Лазерный излучатель 1 постоянно генерирует монохроматический световой поток, который с помощью светоделительного зеркала 3 разделяется на два субпотока.
Первый субпоток, полученный за счет отражения от светоделительного зеркала 3, через диафрагму 4 поступает на фотоприемник 5. Считывание информации с фотоприемника 5 происходит в момент, когда от ЭВМ 14 поступит запускающий сигнал в аналого-цифровой преобразователь 6. Считанные значения, пропорциональные интенсивности пучка света на входе в исследуемую среду, записываются в память ЭВМ 14. Синхронность процесса измерения достигается тем, что на аналого-цифровые преобразователи 6, 12, 13 сигнал запуска в каждом цикле измерения поступает от ЭВМ 14 одновременно.
Второй субпоток, который представляет собой часть светового потока лазерного излучателя 1, прошедшего через светоделительное зеркало 3 и диафрагму 7, после прохождения по исследуемому объему воздуха поступает на светоделительное зеркало 8. Часть второго субпотока, прошедшего через светоделительное зеркало 8 проецируется на ПЗС-матрицу 11. Информация с ПЗС-матрицы 11 поступает в аналого-цифровой преобразователь 12, а затем в ЭВМ 14, где по количеству засвеченных пикселов ПЗС-матрицы 11 определяется - площадь поперечного сечения пучка света, прошедшего через исследуемую среду. Часть второго субпотока, отраженного от светоделительного зеркала 8, поступает на фотоприемник 9. Аналоговый сигнал с выхода фотоприемника 9, значение которого пропорционально интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 13 и в дискретной форме поступает в ЭВМ 14. Измерение интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду производится для того, чтобы по формулам (3) и (4) определить дисперсию оптического сигнала.
На третьем этапе на основании измеренных данных производится расчет значений среднего размера частиц пыли и их средней концентрации. Так как расчет дисперсии оптического сигнала производится по статистическим данным, то необходимо многократное измерение интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду. Это достигается за счет того, что аналого-цифровой преобразователь имеет циклический характер работы. ЭВМ 14 синхронизирует циклы аналого-цифровых преобразователей 6, 12 13 и обеспечивает заданное количество циклов их работы, по истечении которых рассчитываются средние значения интенсивности падающего пучка света и интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду. Затем, пользуясь формулами (1)-(3) и (5)-(6) ЭВМ рассчитывает значения среднего размера частиц пыли и их. средней концентрации.
ЭВМ при работе в циклическом режиме в каждом цикле выполняет следующие действия:
1) определяет площадь поперечного сечения пучка света;
2) организует N циклов, состоящих из следующих команд:
- подает на аналого-цифровые преобразователи 6,12 и 13 сигнал запуска,
- получает  сигналов с аналого-цифровых преобразователей,
- записывает полученные данные в массивы памяти.
3) рассчитывает среднее значение интенсивности падающего пучка света;
4) рассчитывает  среднее значение интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду;
5) рассчитывает  дисперсию оптического сигнала;
6) рассчитывает  оптическую толщину системы;
7) определяет значение специальной функции, связывающей дисперсию с оптической толщиной системы  и средним числом частиц в просвечиваемом объеме;
8)  рассчитывает средний поперечник ослабления света частицей;
9)  рассчитывает средний радиус частиц;
10)  рассчитывает среднюю концентрацию частиц;
11) выводит значения среднего радиуса частиц и средней концентрации частиц.
Тарировка оптического пылемера производится в две стадии.
На первой стадии обеспечивается равенство показаний лазерного дальномера длине пути света в исследуемой среде. Для этого передающий и приемный блоки размещают на заданном расстоянии друг от друга. Это расстояние замеряют штангенциркулем, а лазерный дальномер, закрепленный на рейке в приемном блоке, перемещают в положение, когда показания обоих приборов будет совпадать.
На второй стадии производится определение тарировочных коэффициентов при измерении общей концентрации и среднего  размера частиц пыли. Для этого в замкнутом ограниченном объёме турбулентного воздуха создаётся облако пыли с заданными параметрами, куда помещают передающий и приемный блоки оптико-электронного пылемера. Затем производят измерение средней концентрации и среднего размера частиц пыли и вычисляют значения тарировочных коэффициентов путем деления фактического значения параметра на его измеренное значение. Тарировочные коэффициенты добавляют в формулы (1) и (6).
Таким образом, предлагаемый оптический пылемер, основанный на методе флюктуаций, позволяет повысить точность определения средней концентрации и среднего размера частиц пыли для прогнозирования возникновения профессиональных заболеваний на различных производствах в зависимости от полученной организмом пылевой нагрузки.