СЪЁМНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТВЕРДЫХ ПРИМЕСЕЙ В ВОЗДУХЕ
REMOVABLE MOBILE COMPACT MEASURING MODULE OF QUANTITATIVE CONTENT OF SOLIDS IN AIR

Изобретение относится к учебным приборам и касается конструкции съёмного мобильного компактного измерительного модуля, предназначенного для соединения с мобильным автономным электронным устройством (например, смартфоном), и применяемого в учебных аппаратных средствах (например, в мобильных лабораториях), в том числе, при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях. Изобретение может быть использовано при изучении физики, химии, биологии, физиологии, экологии и других дисциплин, а также при изучении процессов пылеобразования, пылепоглощения, определения концентрации пыли.
области техники
Из  известен датчик (измерительный модуль), включающий разъемный корпус, в котором установлена электронная плата, чувствительный элемент, установленный в специальном отверстии корпуса и связанный с электронной платой, при этом корпус имеет разъем для соединения с интерфейсным кабелем компьютера, отверстие с гайкой для крепления корпуса и магнитную полосу на его нижней плоскости (см. патент на полезную модель RU № 93565, кл. G09B 23/00, оп. в 2010 году). Корпус такого датчика (измерительного модуля) является удобным для размещения в нем чувствительного элемента и проведения разных измерений. Однако в современных условиях проведение лабораторных работ предполагает использование измерительного модуля в мобильном варианте, в том числе и вне помещений, эргономика известного датчика не даёт возможности использовать его в таком варианте.
Известен измерительный модуль, включающий снабженный отверстием корпус, в котором расположена снабженная соединительным проводом печатная плата, на которой смонтированы электронные компоненты, при этом корпус состоит из основания и крышки, причем основание корпуса выполнено плоским, а его наружная поверхность снабжена магнитной пластиной, а на внутренней поверхности по контуру выполнен направляющий элемент, и закреплены ложементы для источников питания, а между ложементами выполнены с резьбовым осевым отверстием трубчатые стойки, на которых закреплена печатная плата, соединительные провода которой соединены с входным разъемом и/или чувствительным измерительным элементом, фиксируемым в ложементе фиксатора, закрепленного на основании, печатная плата включает порт для подключения к компьютеру, при этом крышка выполнена двояковыпуклой и состоит из двух частей, носовой и взаимодействующей по линии разъема основной части, причем носовая часть снабжена не менее чем одним окном, для выхода чувствительного элемента и/или входного разъема, а по контуру основания носовой части крышки выполнен направляющий элемент, а внутри основной части крышки выполнены упоры-фиксаторы, прижимающие источники питания, а в задней зоне основной части крышки выполнено окно для соединения порта с USB компьютера, причем контур основной части крышки снабжен направляющим элементом, взаимодействующим с опорным элементом носовой части крышки и направляющим элементом плоского основания (см. патент RU № 2570216, кл. G12B 9/02, оп. в2015 году). Это устройство более универсально, чем предыдущее, однако, его возможности также ограничены условиями проведения лабораторных работ в помещении.
Известен измеритель массовой концентрации пылевых частиц, включающий корпус, печатную плату с микроконтроллером, соединенные с ними два датчика пыли и выходной интерфейс измерителя, нагревательный элемент и вентилятор, которые электрически соединены с микроконтроллером, входной канал, соединенный с датчиками пыли (первичными преобразователями), выходной канал, датчик температуры входного потока (см. патент на изобретение RU № 2709410, Кл. G01N 15/06, оп. в 2019 г.). Этот измеритель предназначен для использования в системе измерения массовой концентрации пылевых частиц, предназначенной для отслеживания изменений уровня загрязнения атмосферного воздуха в жилых зданиях, рабочих зонах производства или на территории города, для экологического мониторинга промышленных и строительных объектов, для прогнозировании экологической ситуации и развитии рекреационной инфраструктуры. Такой достаточно сложный прибор должен обеспечивать высокий уровень точности измерений, поэтому содержит дублирующие элементы для сравнительного анализа.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является ручное компьютерное устройство с экраном дисплея, набор аппаратных элементов управления, прикрепляемый портативный модуль, который имеет средства для общения с ручным компьютерным устройством и его собственным аппаратным управлением, при этом абсолютный размер этого ручного компьютерного устройства может варьироваться, как и его вес, но он вписывается в требования эргономики и может использоваться одной рукой (см. патент US7286894, кл. G06F19/00, оп. в 2007 году). Портативный присоединяемый модуль выполняет сбор данных при подключении к прибору портативной ЭВМ, при этом присоединяемый модуль программируется с помощью портативного компьютерного устройства. Это ручное компьютерное устройство с портативным присоединяемым модулем может быть использовано вне помещения при проведении лабораторных работ, предусмотренных в учебном процессе, но его обучающие и исследовательские возможности ограничены конструктивными признаками.
Техническая проблема:
эргономика известных устройств предполагает использование ноутбука, нетбука и ручного компьютерного устройства (США), а в настоящее время распространены более компактные компьютерные устройства для работы с измерительными модулями. Задача эргономики требует миниатюризации измерительного модуля. В известных устройствах остаётся нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения физики, химии и электроники на одной универсальной базе. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты не только в стенах учебного заведения, но и за его пределами. При этом измерительные модули должны быть не просто переносными, а съёмными и очень миниатюрными.
технической задачи
Настоящее изобретение направлено на решение  миниатюризации и повышения универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций в сборе с мобильным автономным электронным устройством и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в съёмном мобильном компактном измерительном модуле количественного содержания твердых примесей в воздухе, включающем компактный корпус с элементами механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, содержащем разъём и держатель, расположенные в корпусе чувствительный элемент (первичный преобразователь) и электронную плату с аналогово-цифровым преобразователем, и выполненным с возможностью управления посредством программы этого мобильного автономного электронного устройства и графического отображения полученных цифровых данных, чувствительный элемент – сенсор количественного содержания твердых примесей в воздухе (первичный преобразователь) расположен в корпусе, при этом корпус первичного преобразователя выполнен с входным и выходным отверстиями для прохода воздуха, снабжён крыльчаткой, лазером с оптической осью, расположенной перпендикулярно входному потоку воздуха, и инфракрасным фотодиодом, направленным на луч лазера, причем крыльчатка, лазер и фотодиод снабжены оптическим замком, выполненным в виде лабиринтных перегородок, изготовленных из светопоглощающего материала, при этом первичный преобразователь подключен к микроконтроллеру электронной платы, а электронная плата дополнительно включает в себя аналоговую часть, причем элементы механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству выполнены универсальными, а разъём выполнен либо в виде micro USB, либо в видеusb type-c.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображен съёмный мобильный компактный измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 2 – то же, в изометрии. На фиг. 3 – то же, основание корпуса, в изометрии. На фиг. 4 – то же, крышка корпуса, в изометрии. На фиг. 5 – то же, электронная плата с аналогово-цифровым преобразователем. На фиг. 6 – то же, блок-схема съёмного компактного измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе. На фиг. 7 – то же, схематическое изображение первичного преобразователя. На фиг. 8 – то же, схематическое изображение принципа действия первичного преобразователя.
Съёмный мобильный компактный измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе (пыли) предназначен для соединения с мобильным автономным электронным устройством (например, смартфоном) для применения в учебных аппаратных средствах (например, в мобильных лабораториях). Он может быть использован при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях. Съёмный мобильный компактный измерительный модуль пыли предназначен для использования при изучении физики, химии, биологии, физиологии, экологии и других дисциплин, а также при изучении процессов пылеобразования, пылепоглощения, определения концентрации пыли с проведением занятий в интерактивном режиме. Этот модуль имеет возможность, благодаря подключению к системе управления измерениями мобильного автономного электронного устройства (например, обычного смартфона), быть использован в учебном или исследовательском оборудовании с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Компактность съёмного мобильного измерительного модуля пыли позволяет использовать его в небольших мобильных лабораторях для проведения исследований вне стен учебного или исследовательского заведения, например, на природе.
Съёмный мобильный компактный измерительный модульколичественного содержания твердых примесей в воздухе (пыли) включает компактный корпус, состоящий из основания 1 и съёмной крышки 2, электронную плату 3, размещённую внутри основания 1, и универсальный элемент механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, например к смартфону 4 с разъёмом 5. В качестве разъема 5 можно использовать либо micro USB, либо usb type-c. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъёма 5. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами для платы 3, фиксаторами  защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами основания 1 и фиксатором  для разъёма 5.
Корпус модуля может быть дополнительно снабжён гибкими П-образными захватами 10 для более устойчивого соединения со смартфоном 4. Благодаря тому, что по бокам у П-образных захватов 10 нет боковых стенок, они могут быть использованы с смартфонами 4 любой ширины и даже разной толщины в некотором небольшом диапазоне за счет гибкости П-образных захватов 10. На основании 1 установлен первичный преобразователь 11, связанный с микроконтроллером 14, включающим блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB (см. фиг. 6). На корпусе измерительного модуля имеется отверстие 6 для установки разъема 5, связанного с микроконтроллером 14, для подключения к внешним устройствам, например, к смартфону 4. Корпус измерительного модуля оснащен отверстием 12 для входа воздуха и отверстием 13 для его выхода. Размещение отверстий обусловлено технологическими параметрами первичного преобразователя 11 (см. фиг. 7), который включает корпус с входным отверстием 14, совпадающим по расположению с отверстием 12 корпуса измерительного модуля и выходным отверстием 15 для прохода воздуха, совпадающим по расположению с отверстием 13. В корпусе преобразователя 11 размещены крыльчатка 16, лазер 17 с оптической осью 18, расположенной перпендикулярно входному потоку воздуха, и инфракрасный фотодиод 19, направленный на область 20 луча лазера 17. Крыльчатка 16, лазер 17 и фотодиод 19 снабжены оптическим замком, выполненным в виде лабиринтных перегородок 21, 22 и 23, изготовленных из светопоглощающего материала. Изображенная на фиг. 8 электронная схема работы первичного преобразователя 11 измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе (пыли)  предназначена для иллюстрации получения цифрового сигнала, подающегося к микроконтроллеру 14, и включает лазер 17 с оптической осью 18, направленной перпендикулярно входному потоку воздуха в область 20. Фотодиод 19 выполнен с возможностью подачи электрического сигнала в аналоговый блок 24 микроконтроллера первичного преобразователя с фильтрами,  усилителем и аналогово-цифровым преобразователем 25.
Съёмный мобильный компактный измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе используют следующим образом. Воздух через отверстие 12 засасывается во входную зону корпуса модуля с помощью крыльчатки 16. Далее воздух проходит через оптический замок, создаваемый перегородками 22 и 23 из светопоглащающего материала, и попадет в область 20 действия луча лазера 17. Фотодиод 19, закрытый с обеих сторон перегородками 21 и 22 из светопоглащающего материала, ловит сигнал, отраженный от частиц пыли, попадающих в область 20, фиксирует количество и размеры частиц загрязнений, находящихся в воздухе, каждый раз подавая электрические сигналы в аналоговый блок 24 с аналогово-цифровым преобразователем 25 микроконтроллера первичного преобразователя 11. Воздух из первичного преобразователя 11 выходит через выходные отверстия 15 и 13 наружу. Благодаря размещению первичного преобразователя 11 в основании 1 корпуса измерительного модуля достигается компактность корпуса измерительного модуля, исключается смешивание потоков, повышается точность измерений. Создание оптического замка в корпусе первичного преобразователя 11, выполненного в виде перегородок 21, 22 и 23 из светопоглощающего материала, также позволяет повысить точность измерений частиц пыли, попадающих на оптическую ось 18 лазера 17. Информация, полученная измерительным модулем количественного содержания твердых примесей в воздухе, через разъем 5 для подключения микроконтроллера 14 попадает к внешнему устройству, например, на монитор смартфона 4. С помощью приложения, загруженного в смартфон 4, осуществляют обратную связь с модулем, меняют диапазон измерений, определяя количество частиц пыли на кубический метр в воздухе.
Съёмный мобильный компактный измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Перед проведением экспериментов со съёмным мобильным компактным измерительным модулем ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники, работы модуля и соответствующего раздела физики, химии и экологии и т.д.. Использование в программе обучения такого измерительного модуля даёт возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе с электронной и измерительной техникой за стенами учебного заведения: на природе, в производственных и бытовых помещениях.
технический результат
Таким образом, , достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в миниатюризации и повышении универсальности и многофункциональности съёмного измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе с возможностью проведения различных демонстраций в сборе с мобильным автономным электронным устройством и изменением условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.