Фотоэлектрический способ определения средней концентрации и среднего размера частиц пыли

Изобретение относится к измерительной технике. Фотоэлектрический способ определения среднего размера и средней концентрации частиц пыли включает преобразование импульсного напряжения в световой поток, зондирование области исследуемой среды световым пучком, разделение светового потока, преобразование данных потоков в электрические сигналы. 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. 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, измеряется путь прохождения луча через исследуемую среду лазерным дальномером, а полученные сигналы оцифровываются и поступают в ЭВМ, где производится вычисление значений измеряемых параметров. Управление процессами осуществляется ЭВМ синхронно и циклично по сигналу запуска. Изобретение позволяет получить более высокую точность измерения средней концентрации и средних размеров частиц. 2 ил.

 

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)

где: S0 - средний 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,

Ii - 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.

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, отличающийся тем, что 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, где производится вычисление значений измеряемых параметров, при этом управление процессами осуществляется электро-вычислительной машиной синхронно и циклично по сигналу запуска.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиоэлектронной техники и касается устройства обнаружения пылеотложения на печатных платах радиоэлектронной аппаратуры. Работа устройства заключается в периодическом излучении световых импульсов светодиодом и приеме этих импульсов, отраженных от контролируемой поверхности, фотодатчиком.

Изобретение относится к изготовлению композитных конструкций, в частности к способам контроля композитных заготовок во время изготовления. Способ контроля композитной заготовки и способ контроля рабочего органа для укладки композитного материала включают: направление на контролируемую поверхность электромагнитного излучения, прием отраженного от каждого участка поверхности ответного сигнала, разделение принятого сигнала на множество длин волн, идентификацию невидимых невооруженным глазом загрязняющих веществ и генерирование изображения поверхности с графическими индикаторами, указывающими на наличие загрязняющих веществ.

Изобретение относится к устройству и способу для определения чистоты проверяемого хладагента. Устройство (10) для определения чистоты проверяемого хладагента содержит газовую кювету (12), которая имеет входной патрубок и выходной патрубок для проверяемого газа, просвечивающий газовую кювету инфракрасный источник (20) и по меньшей мере один регистрирующий проходящее через газовую кювету инфракрасное излучение датчик.

Оптический модуль содержит полупроводниковый элемент (4) с чувствительной к электромагнитному излучению поверхностью и объектив (1) для проецирования электромагнитного излучения на чувствительную поверхность полупроводникового элемента (4).

Способ включает преобразование импульсного напряжения в световой поток, зондирование области исследуемой среды световым пучком. Используют измерительный канал, содержащий исследуемую среду, зондируемую световым пучком, и дополнительный канал, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью.

Изобретение относится к области исследования вентиляционного оборудования предприятия для определения наличия пыли. Данное изобретение направлено на повышение точности непрерывного измерения концентрации, а также определение среднего размера частиц пыли в изучаемой среде.

Изобретение относится к устройствам обнаружения пылеотложения с учетом влажности на печатных платах радиоэлектронной аппаратуры, при возникновении которого возникают токи утечки.

Изобретение относится к способам обнаружения пылеотложения с учетом уровня влажности на печатных платах радиоэлектронной аппаратуры, к устройствам обнаружения пылеотложения с учетом уровня влажности на печатных платах, при возникновении которого возникают токи утечки.

Изобретение относится к устройствам обнаружения пылеотложения печатных плат радиоэлектронной аппаратуры, способам обнаружения отложения максимально допустимого уровня частиц пыли на печатных платах, при превышении которого могут возникать токи утечки.

Изобретение относится к способу и системе регулирования мощности нагрева нагревателя кислородного датчика в целях снижения вероятности его деградации под действием воды.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа аспирационной оптической спектрометрии аэрозольных частиц. При осуществлении способа направляют линейно поляризованное излучение на область, уменьшающую мощность направленного линейно поляризованного излучения, фокусируют излучение в счетном объеме, находящемся перед этой областью, и измеряют излучение за этой областью, пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме.

Изобретение относится к исследованию дисперсных характеристик аэрозолей различной природы и может быть использовано в метеорологии, в нанопроизводстве, для контроля нанобезопасности на рабочих местах, для определения ингаляционной дозы при применении аэрозольных форм доставки лекарственных средств.

Изобретение относится к установкам для определения зависимости физических свойств горных пород от форм и видов связи насыщающей их воды и может быть использовано в нефтяной геологии.

Изобретение относится к способу и системе определения величины пористости, связанной с органическим веществом, в скважине или в продуктивных пластах. Техническим результатом является создание усовершенствованного способа оценки величины пористости, связанной с органическим веществом геологического материала.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно может быть использовано для определения остаточной водонасыщенности порового пространства в образцах горных пород методом десатурации с использованием полупроницаемых керамических мембран в компьютеризированных станциях геолого-технологических исследований скважин и в петрофизических лабораториях.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения оптических характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для определения оптических параметров аэрозольных частиц в атмосфере.

Изобретение относится к области анализа веществ и касается способа и системы для анализа жидкого образца, содержащего частицы твердого вещества. Отбираемый из потока жидкости образец окрашивают для окрашивания содержащихся в образце частиц, и направляют в первую проточную камеру, снабженную средствами, обеспечивающими разделение образца на совокупности частиц в соответствии с их размерами или массами.

Предложены способы и системы для датчика твердых частиц, расположенного ниже по потоку от фильтра твердых частиц дизельного двигателя в выпускной системе. В одном примере датчик твердых частиц может содержать сферический узел, содержащий полый стержень и множество проточных трубок, соединенных с диаметрально противоположными сторонами узла, и чувствительный элемент, расположенный в узле на удалении от множества проточных трубок, благодаря чему чувствительный элемент защищен от загрязнителей и водяных капель, конденсирующихся на множестве проточных трубок или вблизи них.

Изобретение относится к измерению массы частиц в составе аэрозоля. Датчик массы для измерения массы частиц в составе аэрозоля содержит чувствительный элемент, детектор для детектирования массы частиц, осажденных на чувствительный элемент, и контроллер для управления детектором в течение цикла измерения для осуществления измерительной операции, причем частицы осаждаются на чувствительный элемент в течение цикла измерения, и при этом срок службы датчика зависит от суммарной массы, осажденной в течение множества последовательных циклов измерения, контроллер выполнен с возможностью задания продолжительности цикла измерения таким образом, что в течение цикла измерения обеспечивается предварительно заданное изменение массы, вызываемое осажденными частицами.

Изобретение относится к измерительной технике. Фотоэлектрический способ определения среднего размера и средней концентрации частиц пыли включает преобразование импульсного напряжения в световой поток, зондирование области исследуемой среды световым пучком, разделение светового потока, преобразование данных потоков в электрические сигналы. 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. 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, измеряется путь прохождения луча через исследуемую среду лазерным дальномером, а полученные сигналы оцифровываются и поступают в ЭВМ, где производится вычисление значений измеряемых параметров. Управление процессами осуществляется ЭВМ синхронно и циклично по сигналу запуска. Изобретение позволяет получить более высокую точность измерения средней концентрации и средних размеров частиц. 2 ил.

Наверх