СИГНАЛИЗАТОР ПЫЛИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а более конкретно, к оптическим устройствам для непрерывного измерения запыленности воздуха по степени рассеяния света частицами пыли.
Сигнализатор пыли может быть использован в авиационной технике. преимущественно на вертолетах, для контроля запыленности воздуха на входе в воздухозаборник газотурбинного двигателя при зависании вертолета вблизи земли. В случае превышения установленного порога концентрации пыли, поднимаемой работающими винтами вертолета с подстилающей поверхности земли, срабатывает сигнальное устройство. При этом следует заметить, что абразивное воздействие пыли, сокращающее ресурс работы двигателя, зависит как от физико-химического состава пылевых частиц, определяемого характером подстилающей поверхности (лессовая пыль, кварцевый песок и так далее), так н от размеров частиц пыли.
Индикатрисы рассеяния дня частиц пыли, размеры которых много больше длины волны зондирующего излучения, характеризуются сильно выраженным рассеянием вперед и могут быть рассчитаны в приближении законов геометрической оптики, как функция длины волны и размера частиц (Клименко А.П. «Методы и приборы для измерения концентрации пыли» М: «Химия» 1978 с.64-67).
Для сферических частиц при одной и той же массовой концентрации пыли интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна радиусу частиц.
Измерение массовой концентрации М полидесперсной пыли по интегральному светорассеянию, как решение некорректно поставленной задачи, приводит к неоднозначному результату, и его относят к некоторому
среднестатистическому размеру частиц пыли . Погрешность измерения массовой концентрации полидисперсной пыли может достигать ±15% (Клименко А.П. «Методы н приборы доя измерения концентрации пыли» М: «Химия» 1978 с.68-69).
Известен оптический прибор для измерения концентрации пыли в пылегазовом потоке, поступающем в корпус прибора через отверстия, прикрытые пористой пластмассой (№US3868184. опубл. 25.02.75. НКИ 356/103). В корпусе прибора укреплены источник света и приемник, оптические оси которых расположены под углом 120°. Прибор имеет имитатор частиц пыли, который вводится при поверке в измерительный объем (точку пересечения оптических осей источника света и фотоприемника) с одновременным прекращением поступления пылегазового потока в корпус прибора. Интенсивность рассеянного пылью света регистрируется фотоприемником и сравнивается с интенсивностью света, рассеянного имитатором, параметры которого считаются неизменными, тем самым как бы исключается погрешность измерения, связанная с нестабильностью источника и приемника света, запыленностью оптики и тому подобное.
Недостатком известного прибора является то, что выполненный в виде гребенки из тонкой проволоки имитатор при нахождении в потоке пылегазовой смеси покрывается слоем пыли и меняет свои светорассеивающие характеристики. Кроме того, пористая стенка, через которую поступает пылегазовая смесь, может изменять полидисперсный состав пыли. отсеивая крупные частицы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для измерения концентрации сажи в выхлопах автотранспортных средств («...устройство измерения дымности отработавших газов» авторов Дрозда С.Н., Кугейко М.М. и Фигаро В. А., М.: Измерительная техника - 2004. №7. с.56-59). Устройство имеет газоотборник в виде трубы, соосно вставляемой в выхлопную трубу автомобиля. Диффузор, которым заканчивается пробоотборник, имеет кольцо с двумя
парами диаметрально противоположно расположенных отверстий, за которыми установлены два светодиода (или лазерных диода) н два фотоприемника таким образом, что световые потоки «светодиод-фотоприемник» пересекаются в центре кольца под углом φ, образуя измерительный объем, из которого рассеянный на частицах сажи свет попадает на один из фотоприемников, а на другой фотоприемник в этот момент попадает прямой световой поток, ослабленный на величину поглощенного сажей света. Поскольку светодиоды включаются поочередно, функции фотоприемников также поочередно меняются.
Таким образом, появляется возможность по соотношению зарегистрированных фотоприемниками зондирующих потоков определить массовую концентрацию сажи с высокой точностью за счет исключения методических погрешностей, связанных с загрязнением оптики, нестабильностью излучения светодиодов и чувствительности фотоприемников и т.п.
Недостатком такого устройства является то, что оно не учитывает полидисперсностъ аэрозольных частиц (сажи), а следовательно, и связанную с ней погрешность измерения.
Целью разработки полезной модели является повышение точности измерения массовой концентрации М полидисперсной пыли.
Цель достигается тем, что в сигнализаторе пыли, содержащем два источника зондирующего излучения, например, светодиоды и два диаметрально противоположно установленных по окружности фотоприемника и фокусирующую оптику, оптические оси системы «светодиод-фотоприемник» пересекаются в центре окружности под углом φ, образуя из пересекающихся световых пучков измерительный объем.
Новым в сигнализаторе пыли является то, что он снабжен дополнительно по крайней мере еще одним фотоприемником, расположенным между фотоприемниками на дуге окружности под углом α<φ/2 к одному из фотоприемников, а оптическая ось его ориентирована на тот же измерительный объем в центре окружности, причем выход фотоприемника соединен
с электронным блоком обработки сигнала через усилитель переменного тока.
На фиг.1 схематично изображено устройство сигнализатора. Светодиоды 1, 2 с фокусирующими линзами расположены на цилиндрическом корпусе прибора в плоскости, нормальной к оси цилиндра. В этой же плоскости на диаметрально противоположенной стороне цилиндра расположены два фотоприемника 3, 5 с фокусирующими линзами таким образом, что их оптические оси совпадают с оптическими осями светодиодов и пересекаются на оси цилиндра по углом φ. Фотоприемник 4 с фокусирующей линзой расположен на цилиндрической поверхности между фотоприемниками 3 и 5 и ориентирован на тот же измерительный объем. причем его оптическая ось составляет угол а с оптической осью фотоприемника 3. Выход фотоприеминка 4 соединен с электронным блоком обработки сигнала (БОС) 6 через усилитель переменного тока 7, а фотоприемники 3 и 5 подключены непосредственно ко входу БОС 6. К выходу блока обработки сигнала подключено регистрирующее устройство 8 массовой концентрации пыли М и указатель 9 процентного содержания в ней крупнозернистой пыли, а также сигнальное устройство превышения порогового содержания пыли 10. Блок питания 12 осуществляет через коммутатор 13 поочередное включение светодиодов. Бленда 11 устраняет нежелательную фоновую засветку фотоприемников.
Устройство работает следующим образом.
01
3
01
4
01
5
01
i
5
02
Посылаемое светодиодом 1 излучение мощностью I регистрируется фотоприемником 3 в виде сигнала AI, а фотоприемники 4, 5 регистрируют излучение рассеянное под углами α и φ соответственно: Аδ(α)I и Aδ(φ)I(А - аппаратная константа, зависящая от чувствительности фотоприемника, апертуры оптики и тому подобное, а δ(α) и δ(φ) - коэффициенты рассеяния под углами α и φ). Через время τ=1/f напряжение подается на светодиод 2 (светодиод 1 обесточен) и его излучение регистрируется фотоприемником 5 в виде сигнала АI, а фотоприемники 4, 3
4
02
3
02
01
02
3
01
5
01
5
02
3
02
3
4
5
регистрируют соответственно рассеянные измерительным объемом под углами (φ-α) и φ сигналы Aδ(φ-α)I и Аδ(φ)I. Поскольку фотоприемник 4 соединен с усилителем переменного тока, то его сигнал будет пропорционален разности сигналов A4{δ(α)I-δ(φ-α)I} и с выхода усилителя переменного тока будет поступать в электронный блок обработки сигнала 6, куда также поступают поочередно сигналы AI и Aδ(φ)I; и AI и Aδ(φ)I. Пренебрегая поглощением излучения на отрезках "1-3" и "2-5" при небольших массовых концентрациях и определяя при градуировке по известным параметрам моно дисперсной пыли значения А, А, A и коэффициенты рассеяния dδ(α)/dα; dδ(φ)/dφ; dδ(φ-α)/d(φ-α), получим на выходе блока обработки сигнала величину массовой концентрации полидисперсной пыли при среднестатистическом размере частиц пыли
где ρ - удельная масса частиц, и величину корректирующего сигнала, пропорциональную:
01
02
При  и I=I последнее выражение есть производная .
Коэффициент пропорциональности определяется при градуировке прибора по моно дисперсным взвесям.
1
2
1
2
Представив взвесь полидисперсной пыли с подстилающей поверхности в виде бинарной смеси частиц с геометрическими размерами  и соответствующими им массовыми концентрациями м и м (м+м=М), где  - разброс размеров частиц, полученных
1
2
1
2
1
2
max
1
2
1
2
при последовательном просеивании образцов пыли через сига с диаметрами отверстий , проведем градуировку прибора по монодисперсным взвесям с размерами частиц d и d и одинаковыми массовыми концентрациями М. Полученные значения  дня частиц с размерами d и d соответственно представляют граничные значения производных, а выбор d и dпроводится из условий: нормировки ,где f(r) - функция распределения частиц по размерам (r= - радиус частиц), и граничных f(0)=f(R)=0. Если принять , то получим значения d и d. для которых будет выполняться условие d<<d.
Что касается выбора угла φ, то учитывая, что при рассеянии света крупными частицами индикатриса рассеивания имеет побочный максимум уже при углах, больших 20°-25°, желательно, чтобы угол φ был как можно меньше, но в тоже время он должен быть достаточно большим, чтобы конструктивно исключить попадание на фотоприемник 4 прямого зондирующего излучения. Оптимальным представляется угол φ=15° и угол α=6°.
Использование сигнализатора пыли обеспечивает следующие технико-экономические преимущества:
- возможность непрерывного контроля запыленности воздуха, поступающего в воздухозаборник газотурбинного двигателя (ГТД) вертолета и принятия оперативных мер для снижения концентрации пыли, тем самым увеличивая ресурс работы двигателя;
- возможность непосредственной оценки характера подстилающей поверхности с точки зрения ее абразивного воздействия на лопатки ГТД по показаниям прибора.