ОПТИЧЕСКИЙ ПЫЛЕМЕР
OPTICAL DUST METER

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике.
Изобретение может быть использовано в промышленности для определения общей концентрации с целью управления вентиляционным оборудованием предприятия по пылевому фактору, а также 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, МПК G01N 21/85) 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 поочередном снятии показаний со всех излучателей определяется уровень запыленности в измерительном канале и сравнивается с данными, полученными с контрольных каналов.
Недостатком этого устройства являются отсутствие возможности определения среднего размера частиц.
Известен оптический абсорбционный пылемер (Клименко А.П., Королев 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 фотоприемником. 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 фотоприемником. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на усилитель, далее на блок разделения измерительного сигнала и сигнала сравнения, далее на логарифмирующие устройство, результаты измерения регистрируются измерительным прибором.
Недостатком прибора является отсутствие возможности определения среднего размера частиц пыли.
Известен оптический пылемер для системы управления проветриванием предприятия (Пат. России №2210070, МПК G01N 15/02, Румянцев К.Е., Семенов В.В., Бойко А.П.), выбранный в качестве прототипа. Принцип работы устройства заключается в следующем.
Генератор функционально-импульсной развертки подает импульсное напряжение на источник светового излучения, оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, основное назначение которого направлять разделенные световые потоки в измерительный и опорный канал.
Импульсное световое излучение, проходя через измерительный канал, ослабляется пылью и поступает на фотоприемник, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.
Импульсное световое излучение, проходя через опорный канал, изменяется незначительно и поступает на фотоприемник опорного канала, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.
Устройство контроля запыленности смотрового окна осуществляет управление устройством обдува со специально закрепленными на лопастях вентилятора очищающими щетками, автоматически приближающимися к смотровым окнам при работе вентилятора.
К недостаткам прототипа можно отнести отсутствие возможности определения среднего размера частиц пыли.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности непрерывного измерения концентрации, а также определение среднего размера частиц пыли в изучаемой среде.
Поставленная задача достигается тем, что оптический пылемер содержит источник импульсного напряжения, последовательно соединенный с источником света, последовательно соединенный и оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, первый выход которого последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном, вторым защитным окном измерительного канала; второй выход устройства разделения светового потока последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном опорного канала, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного предприятия, и вторым защитным окном опорного канала; устройство контроля запыленности смотровых окон оптически связано с первым смотровым окном в измерительном канале, выход которого является входом для устройства управления, выход которого подключен к устройству обдува, которое осуществляет обдув защитных окон, также содержит устройство контроля температуры, выход которого подключен к микроконтроллеру, также содержит устройство подогрева смотровых окон, поддерживающее температуру смотровых окон измерительного канала в заданных пределах, второе защитное окно измерительного канала оптически связано со светоразделительным зеркалом, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму, формирующую узкий световой поток, поступающий на первый фотоприемник измерительного канала, который в свою очередь соединен с усилителем, последовательно соединенным с первым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен с первым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером, а широкий световой пучок со светоразделительного зеркала попадает на второй фотоприемник измерительного канала, который последовательно соединен с усилителем, последовательно соединенным со вторым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен со вторым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером; аналогично второе защитное окно опорного канала оптически связано со вторым светоразделительным зеркалом, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму, формирующую узкий световой поток, поступающий на первый фотоприемник опорного канала, который в свою очередь соединен с усилителем, последовательно соединенным с первым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен с первым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером, а широкий световой пучок со светоразделительного зеркала попадает на второй фотоприемник опорного канала, который последовательно соединен с усилителем, последовательно соединенным со вторым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен со вторым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности измерения концентрации, а также определении среднего размера частиц пыли.
Этот результат достигается тем, что оптический пылемер содержит источник импульсного напряжения 1, последовательно соединенный с источником света 2, последовательно соединенный и оптически связанный со входом устройства разделения светового потока 3, первый выход которого последовательно соединен и оптически связан с защитным окном 5, защитным окном 6 измерительного канала 4; второй выход устройства разделения светового потока последовательно соединен и оптически связан с защитным окном 18 опорного канала 17, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного предприятия и защитным окном 19 опорного канала; устройство контроля запыленности смотровых окон 7 оптически связано со смотровым окном 5 в измерительном канале 4, выход которого является входом для устройства управления 8, выход которого подключен к устройству обдува 9, которое осуществляет обдув защитных окон, также содержит устройство контроля температуры 30, выход которого подключен к микроконтроллеру, также содержит устройство подогрева смотровых окон 10, которое поддерживает температуру смотровых окон измерительного канала в заданных пределах; защитное окно 6 оптически связано со светоразделительным зеркалом 11, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму 12, формирующую узкий световой поток, поступающий на фотоприемник 13, который в свою очередь соединен с усилителем 14, последовательно соединенным с сумматором 28, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 29, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31, а широкий световой пучок со светоразделительного зеркала 11 попадает на фотоприемник 15, который последовательно соединен с усилителем 16, последовательно соединенным с сумматором 26, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 27, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31; аналогично второе защитное окно 19 опорного канала 17 оптически связано со вторым светоразделительным зеркалом 20, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму 21, формирующую узкий световой поток, поступающий на фотоприемник 22, который в свою очередь соединен с усилителем 23, последовательно соединенным с сумматором 28, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 29, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31, а широкий световой пучок со светоразделительного зеркала 20 попадает на фотоприемник 24, который последовательно соединен с усилителем 25, последовательно соединенным с сумматором 26, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 27, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31.
Работа описываемого устройства основана на так называемом методе флюктуации. 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 дает возможность определения как среднего размера, так и концентрации частиц.
При разделении светового потока с помощью большего по площади пучка света мы определяем прозрачность системы, а по ней уже оптическую толщину системы, а с помощью сжатого пучка света, дисперсию среды; после вычитания и всех преобразований мы можем определить число частиц в пучке и их размеры.
На фиг.1 представлена блок-схема реализуемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
Оптический пылемер работает следующим образом. Генератор функционально-импульсной развертки 1, являющийся источником импульсного напряжения, подает импульсное напряжение на источник светового излучения 2, оптически связанный со входом устройства разделения светового потока 3, основное назначение которого - направить разделенные световые потоки в измерительный канал 4 и опорный канал 17.
Импульсное световое излучение, проходя через окна 5, 6 измерительного канала 4, ослабляется пылью по закону Бугера-Ламберта-Бера и поступает на светоразделительное зеркало 11, основной задачей которого является разделение пучка света на два, причем один из них максимально узкий по отношению к другому, такое разделение необходимо для одновременного измерения дисперсии и прозрачности среды, по большему пучку определяется прозрачность среды, а по сжатому в свою очередь дисперсия, больший пучок попадает на фотоприемник 15, преобразующий свет в электрический сигнал, затем этот сигнал поступает на усилитель 16 и затем на сумматор 26, в котором происходит электрическое вычитание сигналов измерительного и опорного каналов, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 27, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31, в свою очередь центральная часть светового пучка со светоразделительного зеркала 11 поступает на диафрагму 12, формирующую узкий световой поток, поступающий на фотоприемник 13, преобразующий световой поток в электрический сигнал, затем этот сигнал поступает на усилитель 14, затем сигнал поступает на сумматор 28, в котором происходит электрическое вычитание сигналов измерительного и опорного каналов, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 29, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31.
Рассмотрим работу опорного канала 17. Импульсное световое излучение, проходя через окна 18, 19 опорного канала 17, изменяется незначительно и поступает на светоразделительное зеркало 20, основной задачей которого является разделение пучка света на два, причем один из них максимально узкий по отношению к другому, такое разделение необходимо для одновременного измерения дисперсии и прозрачности среды, по большему пучку определяется прозрачность среды, а по сжатому в свою очередь дисперсия, больший пучок попадает на фотоприемник 24, преобразующий свет в электрический сигнал, затем этот сигнал поступает на усилитель 25 и затем на сумматор 26, в котором происходит электрическое вычитание сигналов измерительного и опорного каналов, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 27, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31, в свою очередь центральная часть светового пучка со светоразделительного зеркала 20 поступает на диафрагму 21, формирующую узкий световой поток, поступающий на фотоприемник 22, преобразующий световой поток в электрический сигнал, затем этот сигнал поступает на усилитель 23, затем сигнал поступает на сумматор 28, в котором происходит электрическое вычитание сигналов измерительного и опорного каналов, который в свою очередь последовательно соединен с синхронным детектором 29, который также связан с источником импульсного напряжения 1 и микроконтроллером 31.
Устройство подогрева смотровых окон 10 поддерживает температуру смотровых окон измерительного канала в пределах 210-250°С.
Устройство контроля запыленности смотровых окон 7 осуществляет управление устройством обдува 9 со специально-закрепленными на лопастях вентилятора очищенными щетками, автоматически приближающимися к смотровым окнам при работе вентилятора. При достижении определенного порога концентрации пыли через линзу поступает отраженный под углом 135 градусов к оси излучения световой луч на устройство 7, представляющее собой фотодиод, напряжение с которого поступает на устройство управления вентилятором 8.
Устройство контроля температуры 30, выполненное в виде полупроводникового датчика температуры и усилителя, непрерывно проводит измерения температуры воздуха рабочей зоны и подключается к микроконтроллеру 31 для коррекции колебаний температуры окружающей среды.
Таким образом, предлагаемый оптический пылемер позволяет повысить точность определения общей концентрации и определить средний размер частиц пыли в сложных эксплуатационных условиях предприятия для управления вентиляционным оборудованием по пылевому фактору, а также для определения не только общей концентрации пыли, но и пылевой нагрузки на организм рабочих респирабельной фракцией пыли, т.е. массовой доли вдыхаемых частиц, средний диаметр которых меньше 5 мкм и которые попадают в нижние дыхательные пути и, в свою очередь, вызывают профессиональные легочные заболевания.