ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И СРЕДНЕГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ПЫЛИ
PHOTOELECTRIC METHOD OF DETERMINING AVERAGE CONCENTRATION AND AVERAGE SIZE OF DUST PARTICLES

Изобретение относится к измерительной технике.
Промышленная применимость изобретения заключается в определении средней  концентрации и 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. Принцип работы устройства заключается в следующем: в оптическом пылемере первый излучатель расположенный перед рабочей камерой, формирует измерительный канал и оптически связан с фотоприемником через защитные окна рабочей камеры, второй излучатель, расположенный за рабочей камерой, формирует контрольный канал и оптически связан с фотоприемником, третий излучатель расположен внутри устройства за рабочей камерой и формирует дополнительный контрольный канал и оптически связан с фотоприемником через защитное окно. При поочерёдном снятии показаний со всех излучателей определяется уровень запылённости в измерительном канале и сравнивается с данными, полученными с контрольных каналов.
Недостатком указанного способа является низкая точность измерений.
Известен способ определения дисперсной среды (Шифрин К.С, Мороз Б.З., Сахаров  А.Н. ”Определение характеристик дисперсной среды по данным её прозрачности” – ДАН СССР, 1971, т. 199, № 3 с 581-598), на основе которого составлено регистрационное устройство для измерения методом флюктуаций (Шифрин К.С”Введение в оптику океана ”,Санкт-Петербург :”Гидрометеоиздат”, 1983 -  с. 220-227) выбранное в качестве прототипа.
Принцип работы по указанному способу 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 способа является низкая точность измерений среднего размера и средней концентрации частиц пыли.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений среднего размера и средней концентрации частиц пыли.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический способ определения среднего размера и средней концентрации частиц пыли, включающий преобразование импульсного напряжения в световой поток,  зондирование области исследуемой среды световым пучком, разделение светового потока, преобразование данных потоков в электрические сигналы, для повышения точности измерений  часть входного светового потока отводится на первый фотоприемник, сигнал которого пропорционален интенсивности пучка света на входе в исследуемую среду,  а вторая часть входного светового потока после прохождения через исследуемую среду разделяется на два субпотока, причем первый субпоток поступает на ПЗС-матрицу, в которой  по количеству засвеченных пикселов определяется площадь поперечного сечения пучка света, прошедшего через исследуемую среду, а второй субпоток поступает на второй фотоприемник, значение сигнала которого пропорционально интенсивности пучка света, прошедшего через исследуемую среду, так же измеряется путь прохождения луча через исследуемую среду лазерным дальномером, а полученные сигналы  оцифровываются и поступают в электро-вычислительную машину (ЭВМ), где по производится вычисление значений измеряемых параметров, при этом управление процессами осуществляется ЭВМ синхронно и циклично по сигналу запуска.
На фиг. 1 изображено изменение специальной функции, связывающей дисперсию с оптической толщиной системы  и средним числом частиц в просвечиваемом объеме.
На фиг. 2 изображена блок-схема устройства, работающего по данному способу.
Рассмотрим основу способа - метод 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.
Устройство, работающее по данному способу, 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.
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, рассмотренный способ, в отличие от известных, позволяет получить более высокую точность измерения средней концентрации и размеров частиц. Средний размер частиц пыли позволяет определять уровень респирабельной фракции и прогнозировать возникновение профессиональных заболеваний на различных производствах в зависимости от полученной организмом пылевой нагрузки.