УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ АЭРОЗОЛЯ

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения концентрации аэрозолей.
Известно устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля (SU 1260758 А1, кл. G01N 15/02, 1986.09.30), содержащее последовательно установленные по ходу движения аэрозоля зарядную камеру, подключенный к ней импульсный источник питания, измерительную камеру, подключенный к ней блок измерения и индикатор.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата относится возможность уменьшения амплитуды наведенного сигнала вплоть до полного его исчезновения при изменении скорости потока или ее отклонении от номинального значения.
Известно также устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля (SU 479994, G01n 15/00, 1975.12.01), которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого устройства.
Известное устройство содержит последовательно установленные зарядную камеру с металлическим цилиндрическим электродом и центрально расположенной в нем коронирующей иглой, экранированную измерительную индукционную камеру с измерительным электродом и вытяжной вентилятор, высоковольтный униполярный импульсный источник питания зарядной камеры, блок измерения, подключенный к измерительному электроду и включающий измерительный усилитель, и показывающий прибор.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится отсутствие возможности учета сдвига фазы полезного сигнала при изменении скорости потока, приводящее к неконтролируемому изменению коэффициента преобразования, а, следовательно, к сужению динамического диапазона измерительного устройства.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является повышение чувствительности и расширение диапазона измерения концентрации аэрозоля.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели. заключается в сужении его полосы пропускания для уменьшения влияния помех и собственных шумов усилителя, и в обеспечении адаптивного изменения коэффициента масштабного преобразования на основании непрерывной обработки сигнала.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом устройстве для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля, включающем последовательно установленные зарядную камеру с металлическим цилиндрическим электродом и центрально расположенной в нем коронирующей иглой, экранированную измерительную индукционную камеру с измерительным электродом и вытяжной вентилятор, высоковольтный импульсный источник питания зарядной камеры, блок измерения, подключенный к измерительному электроду и включающий усилитель, и показывающий прибор, в отличие от известного устройства, блок измерения выполнен в виде последовательно включенных усилителя с большим входным сопротивлением и регулируемым коэффициентом усиления, синхронного фазового фильтра, детектора, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессорного блока, к управляющим выходам которого подключены управляющие входы высоковольтного импульсного источника питания зарядной камеры, измерительного усилителя и синхронного фазового фильтра, к информационному выходу - показывающий прибор, а к управляющему входу - блок задания режимов работы.
На фиг. изображено заявляемое устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля.
Заявляемое устройство содержит пневматическую линию в виде канала, образованного последовательно установленными на изоляторе 1 металлическим цилиндрическим электродом 2, входным участком 3 экрана 4, металлическим цилиндрическим измерительным электродом 5, установленным на изоляторах 6 и 7, и выходным участком 8 экрана 4, в котором установлен вытяжной вентилятор 9. Измерительный электрод 5 охвачен средним участком 10 экрана 4.
Металлический цилиндрический электрод 2 с установленной в его центре коронирующей иглой 11, подключенной к высоковольтному импульсному источнику питания 12, образуют зарядную камеру 13. Измерительный электрод 5 с экраном 4, состоящим из входного 3 среднего 10 и выходного 8 участков, образуют экранированную измерительную индукционную камеру 14.
К измерительному электроду 5 подключен блок измерения 15, который выполнен в виде последовательно включенных усилителя 16 с большим входным сопротивлением и регулируемым коэффициентом усиления, синхронного фазового фильтра 17, детектора 18, аналого-цифрового преобразователя 19 и микропроцессорного блока 20.
К управляющему входу микропроцессорного блока 20 подключен блок задания режимов работы 21. К управляющим выходам микропроцессорного блока 20 подключены управляющие входы высоковольтного импульсного источника питания 12 зарядной
камеры 13, измерительного усилителя 16 и синхронного фазового фильтра 17, а к информационному выходу - показывающий прибор 22.
Устройство работает следующим образом.
При включении вытяжного вентилятора 9 в канале пневматической линии устанавливается поток аэрозоля с постоянной скоростью. На вход высоковольтного импульсного источника питания 12 зарядной камеры 13 от микропроцессорного блока 20 подается управляющий импульс, вызывающий высоковольтный импульс с амплитудой в несколько киловольт, подаваемый на металлический цилиндрический электрод 2, между которым и иглой 11 инициируется импульсный коронный разряд.
В пространстве зарядной камеры 13 образуется поток однополярных ионов. Частицы аэрозоля, пересекающие этот поток, приобретают заряд, величина которого зависит от параметров потока ионов и размеров частиц. Поскольку питание на зарядную камеру подается импульсно, то в ней образуются пачки заряженных частиц, чередующиеся с пачками незаряженных частиц. Плотность объемного заряда в пачке заряженных частиц пропорциональна концентрации частиц. В потоке аэрозоля после зарядной камеры 13 образуется периодическая последовательность пачек заряженных частиц, каждая из которых наводит на измерительный электрод 5 заряд, величина которого пропорциональна заряду пачки. Входной 3, средний 10 и выходной 8 участки экрана 4 препятствуют влиянию внешних электромагнитных полей на измерительный электрод 5, которое может исказить величину заряда, наведенного пачкой заряженных частиц.
Так как управляющие импульсы поступают на высоковольтный импульсный источник питания 12 с постоянной частотой, то пространственные заряды образуются периодически с той же частотой следования. Наведенный электрический потенциал на измерительном электроде 5 образует периодическую последовательность импульсов, которые сдвинуты относительно управляющих импульсов на время пролета пространственного заряда от зарядной камеры 13 до измерительного электрода 5. Первая гармоника импульсов равна частоте следования управляющих импульсов.
На входе усилителя 16 с большим входным сопротивлением и регулируемым коэффициентом усиления, подключенного к измерительному электроду 5, наведенный заряд преобразуется в напряжение, частота изменения которого зависит от частоты следования пачек и, соответственно, от частоты зажигания коронного разряда в зарядной камере 13.
Усиленный по амплитуде сигнал с выхода усилителя 16 поступает на синхронный фазовый фильтр 17, который выделяет первую гармонику полезного сигнала Управление
синхронным фазовым фильтром 17 микропроцессорным блоком 20 синхронизировано с генерацией управляющих импульсов, поступающих на вход высоковольтного импульсного источника питания 12 зарядной камеры 13. Это позволяет выделять на синхронном фазовом фильтре 17 очень узкую полосу пропускания полезного сигнала, которая автоматически подстраивается под любые изменения скорости потока воздуха. За счет сужения полосы пропускания усилителя происходит подавление случайных шумов, что позволяет достигать высокой чувствительности устройства.
Сигнал с выхода синхронного фазового фильтра 17 детектируется детектором 18, и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 19, где преобразуется в цифровой сигнал и далее поступает в микропроцессорный блок 20. В процессе обработки сигнала микропроцессорный блок 20 вырабатывает управляющий сигнал на переключение коэффициента усиления усилителя 16 и синхронные импульсы для управления высоковольтным импульсным источником питания 12 и синхронным фазовым фильтром 17.
В процессе непрерывной обработки сигнала микропроцессорный блок 20 сравнивает амплитуду напряжения сигнала на выходе аналого-цифрового преобразователя 19 с уставкой, величина которой в пересчете на выход усилителя 16 соответствует значению (70-90)% амплитуды полезного сигнала, допустимого на входе аналого-цифрового преобразователя 19. Этот сигнал в несколько раз меньше амплитуды полезного сигнала, соответствующего нелинейным искажениям усилителя 16. В результате сравнения вырабатывается сигнал на адаптивное изменение коэффициента масштабного преобразования. Этот сигнал переключает матрицу резисторов в цепи обратной связи усилителя 16 и одновременно пропорционально изменяет коэффициент преобразования цифрового сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя 19 в значение концентрации аэрозоля.
Подключенный к микропроцессорному блоку 20 блок задания режимов работы 21 задает режимы работы устройства - позволяет изменять калибровочный множитель устройства, проводить статистическую обработку результатов измерения, устанавливать дату и время измерений и т.п. Подключенный к микропроцессорному блоку 20 показывающий прибор 22 отображает режимы работы и результаты измерения.
Экспериментальная проверка заявляемого устройства для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля показала, что
- при входном сопротивлении усилителя 1ГОм и частоте модуляции 32 Гц достигнуто соотношение сигнал - шум 80 дБ за счет сужения полосы пропускания до 0.01 Гц;
- диапазон изменения коэффициента передачи измерительного усилителя без ограничения сигнала от 0.1 до 1000 позволяет измерять концентрации от 0.001 мг/м куб. до 100 мг/м куб.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.