Исследовательская установка для определения запылённости воздуха и измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе

Изобретение относится к приборам для изучения процессов пылеобразования. Технический результат заключается в повышении универсальности и многофункциональности исследовательской установки.   Измерительный модуль содержит корпус с входной и выходной зонами, микроконтроллер, соединенные с ним первичный преобразователь, имеющий корпус с входным и выходным отверстиями, крыльчаткой, лазером и фотодиодом, и выходной интерфейс, при этом корпус измерительного модуля снабжен перегородкой для разделения входной и выходной зон, причём выходной интерфейс снабжён USB разъемом, связанным с микроконтроллером, и аналоговым (IDC) разъемом для подключения микроконтроллера к внешним устройствам, при этом входное отверстие первичного преобразователя расположено во входной зоне измерительного модуля, а выходное отверстие в выходной зоне измерительного модуля, при этом первичный преобразователь снабжен оптическим замком, выполненным в виде перегородок из светопоглощающего материала, разделяющих крыльчатку, лазер и фотодиод. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для изучения основ физики и механики, проведения исследовательских и учебных экспериментов, относящихся к изучению процессов пылеобразования, пылепоглощения, изучению аэродисперсных систем, определения концентрации пыли и к тестированию фильтрующих элементов.

Из области техники известны: система для измерения массовой концентрации пылевых частиц, содержащая устройство для передачи данных, с входным отверстием и выходным отверстием, при этом устройство снабжено аккумулятором, источником питания, соединенными с коммуникационным блоком, включающим контроллер, соединенный с входным интерфейсом устройства и выходным интерфейсом устройства, модулем памяти и модулем беспроводного соединения, модулем часов реального времени, GSM-антенной и GPS-антенной, измеритель массовой концентрации пылевых частиц, расположенный внутри корпуса устройства для передачи данных, при этом входные каналы и выходные каналы измерителя массовой концентрации пылевых частиц соединены с входными и выходными отверстиями устройства для передачи данных, при этом модуль энергонезависимой памяти выполнен с возможностью записи измеренной массовой концентраций пылевых частиц, даты и времени измерения и последующего их запроса, и 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, опубл. в 2019 г.). Вышеописанная система для измерения массовой концентрации пылевых частиц предназначена 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. Это достаточно сложный прибор должен обеспечивать высокий уровень точности измерений, поэтому содержит дублирующие элементы для сравнительного анализа.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является лабораторная установка с прозрачной камерой, включающая засыпное устройство, заглушку для чистки камеры, аспиратор, соединительный шланг, аллонж, измеритель расхода, тройник для крепления камеры и аллонжа, измеритель типа ТРМ 200 (см. http://www.miigaik.ru/upload/iblock/5ff/5ffe2668f35849853c3be325da9139cb.pdf). Аспиратор, используемый в лабораторной установке, предназначен для отбора проб воздуха для определения содержания пыли и аэрозолей путем прокачки заданного объема пробы через фильтры. Измерение уровня запыленности воздуха производят путём засыпки пыли в специальную камеру, затем строят графики и подсчитывают частицы пыли, оставшиеся на фильтре, с помощью цифрового микроскопа. Эта лабораторная установка может быть использована в учебном процессе, но её обучающие и исследовательские возможности ограничены конструктивными признаками.

Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства не предназначены для решения исследовательских задач, они не дают возможности управления процессом исследования и изменения условий исследования. В них остается 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.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и многофункциональности исследовательской установки для определения запылённости воздуха и измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что исследовательская установка для определения запылённости воздуха, содержащая основание с установленным на нём полым корпусом для поступления воздуха, вентилятором, фильтром, измерительными средствами, связанными с системой управления, снабжена расположенным на входе полого корпуса источником создания запыленности воздуха, после которого расположен вентилятор, установленным далее на корпусе средством для впрыска жидкости, после которого расположен фильтр, причем измерительные средства выполнены в виде не менее, чем двух измерительных модулей количественного содержания твердых примесей в воздухе, связанных с системой управления, снабженной электронной платой открытой архитектуры, и выполненных в виде разъёмного корпуса с перегородкой, разделяющей его на входную и выходную зоны, снабженного связанным с микроконтроллером первичным преобразователем, входное отверстие которого расположено во входной зоне а выходное отверстие в выходной зоне измерительного модуля, а также снабженного USB разъемом, связанным с микроконтроллером, и аналоговым (IDC) разъемом для подключения микроконтроллера к внешним устройствам, при этом один измерительный модуль расположен впереди фильтра, а другой измерительный модуль расположен позади фильтра. Источник создания запыленности воздуха выполнен в виде дымогенератора. Средство для впрыска жидкости выполнено в виде форсунок. Корпус установки с основанием может быть размещен либо горизонтально, либо вертикально. Измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе, включающий корпус с входной и выходной зонами, микроконтроллер, соединенные с ним первичный преобразователь, имеющий корпус с входным и выходным отверстиями, крыльчаткой, лазером и фотодиодом, и выходной интерфейс, при этом корпус измерительного модуля снабжен перегородкой для разделения входной и выходной зон, причём выходной интерфейс снабжён USB разъемом, связанным с микроконтроллером, и аналоговым (IDC) разъемом для подключения микроконтроллера к внешним устройствам, при этом входное отверстие первичного преобразователя расположено во входной зоне измерительного модуля, а выходное отверстие в выходной зоне измерительного модуля, при этом первичный преобразователь снабжен оптическим замком, выполненным в виде перегородок из светопоглощающего материала, разделяющих крыльчатку, лазер и фотодиод.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена исследовательская установка для определения запылённости воздуха, горизонтальное расположение. На фиг. 2 – то же, вертикальное расположение. На фиг. 3 изображен измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе, вид с торца в изометрии. На фиг. 4 – то же, со снятой крышкой в изометрии. На фиг. 5 – то же, со снятой крышкой, вид сверху. На фиг. 6 изображена блок-схема измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе. На фиг. 7 схематично изображена электронная схема работы первичного преобразователя измерительного модуля. На фиг. 8 изображен первичный преобразователь измерительного модуля (пример исполнения).

Исследовательская установка для определения запылённости воздуха предназначена для проведения исследовательских и учебных экспериментов, относящихся к изучению процессов пылеобразования, пылепоглощения, изучению аэродисперсных систем, определению концентрации пыли и к тестированию фильтрующих элементов, может быть использована для монтажа учебного или исследовательского оборудования с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Исследовательская установка состоит из основания 1, на котором размещен корпус 2 установки, представляющий собой сообщающиеся между собой полости. Корпус 2 может быть, например, выполнен в виде полой, предпочтительно прозрачной, трубы круглого или любого другого сечения. Основание 1 и корпус 2 могут быть расположены горизонтально (см. фиг.1) и вертикально (см. фиг. 2). Корпус 2 на входе может содержать источник создания запыленности воздуха, например дымогенератор 3. За дымогенератором 3 установлен канальный вентилятор 4, связанный с сектором 5 с нефильтрованным воздухом. Исследовательская установка для определения запылённости воздуха может включать несколько измерительных модулей количественного содержания твердых примесей в воздухе. В секторе 5 установлен первый измерительный модуль 6 количественного содержания твердых примесей в воздухе. Сектор 5 корпуса 2 связан с сектором 7, оборудованным средством для впрыска жидкости, например, жидкого поглотителя, или для создания аэродисперсных смесей, выполненным в виде, например, форсунок 8. Корпус 2 снабжен съемной кассетой 9 для сменных фильтров, распложенной между сектором 7 и сектором 10, предназначенным для фильтрованного воздуха. В секторе 10 установлен второй измерительный модуль 11 количественного содержания твердых примесей в воздухе. Вентилятор 4, первый измерительный модуль 6, форсунки 8 и второй измерительный модуль 11 связаны с электронной платой 12 открытой архитектуры, предназначенной для управления установкой и вывода информации на монитор 13, отправки на компьютер 14, а также для записи в файл определенного формата.

Измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе (см. фиг. 3, 4 и 5) представлен в заявке в виде модулей 6 и 11, которые в данном случае имеют предпочтительно одинаковую конструкцию и включают корпус, состоящий из двух разъёмных частей: основания 16 и крышки 17. На основании 16 установлен первичный преобразователь 18, связанный с микроконтроллером 19, включающим блок 20 математической обработки, блок 21 калибровки, блок 22 преобразователя USB (см. фиг. 6). В измерительном модуле 6 и 11 может быть предусмотрено использование блока радиоканала (на рисунке не показано). На корпусе измерительных модулей имеется отверстие 23 для установки USB разъема 24, связанного с микроконтроллером 19, а также отверстие 25 для аналогового (IDC) разъема 26, предназначенного для подключения микроконтроллера 19 к внешним устройствам. например, к плате 12 открытой архитектуры (см. фиг. 1 и 2). Корпус измерительного модуля 6 и 11 содержит перегородку 27, разделяющую корпус на входную и выходную зоны, а также оснащен отверстием (или отверстиями) 28 для входа воздуха и отверстием 29 для его выхода. Размещение отверстий обусловлено технологическими параметрами эксплуатации измерительных модулей и может быть различным. USB разъем 24 предназначен для подключения к внешним устройствам, например к компьютеру 30. Блок радиоканала (на рисунке не показано) может быть использован для подключения к удаленному электронному устройству (например, к компьютеру 14) через сеть 32 WiFi. (см. фиг. 1 и 2). На внешней стороне основания 16 корпуса измерительного модуля может быть расположена магнитная полоса (на рисунке не показано) для прикрепления к металлическим и намагниченным поверхностям.

Первичный преобразователь 18 (см. фиг. 8) включает корпус с входным отверстием 34 и выходным отверстием 35 для прохода воздуха. В корпусе преобразователя 18 размещены крыльчатка 36, лазер 37 с оптической осью 38, расположенной перпендикулярно входному потоку воздуха, и инфракрасный фотодиод 39, направленный на область 40 луча лазера 37. Крыльчатка 36, лазер 37 и фотодиод 39 снабжены оптическим замком, выполненным в виде лабиринтных перегородок 41, 42 и 43, изготовленных из светопоглощающего материала. Изображенная на фиг. 7 электронная схема работы первичного преобразователя 18 измерительного модуля предназначена для иллюстрации получения цифрового сигнала, подающегося к микроконтроллеру 19, и включает лазер 37 с оптической осью 38, направленной перпендикулярно входному потоку воздуха в область 40. Фотодиод 39 выполнен с возможностью подачи электрического сигнала в аналоговый блок 44 микроконтроллера 19 с фильтрами, усилителем и аналогово-цифровым преобразователем 45.

Исследовательскую установку для определения запылённости воздуха и измерительные модули количественного содержания твердых примесей в воздухе используют следующим образом. На фиг. 1 и 2 показан пример реализации исследовательской установки с измерительными модулями, предназначенными для проведения исследовательских и учебных экспериментов, относящихся к изучению процессов пылеобразования, пылепоглощения, изучению аэродисперсных систем, определению концентрации пыли и к тестированию фильтрующих элементов. Аэродисперсные системы состоят из твердых или жидких частиц, взвешенных в воздушной среде, и делятся на пыли, дым и туман. В настоящее время невозможно вести эффективное производство во многих отраслях промышленности без ущерба для окружающей среды, в частности в металлургии, горной промышленности, производстве строительных материалов без постоянного мониторинга пылегазовых выбросов в атмосферу. Производственная пыль является наиболее распространенным вредным фактором производственной среды.

Для принудительного движения воздуха в установке использован канальный вентилятор 4, предназначенный для создания избыточного давления нефильтрованного (загрязненного) воздуха. Воздух в канальный вентилятор 4 проходит через входной сектор, где расположен дымогенератор 3, с помощью которого можно имитировать различную степень запылённости воздуха. В секторе 5 посредством первого измерительного модуля 6 определяют количество твердых примесей в закачанном с помощью вентилятора 4 воздухе. При необходимости в секторе 7 посредством форсунок 8 распыляют жидкость для осаждения крупных фракций частиц и получения аэродисперсных смесей. Загрязненный воздух проходит через фильтр съёмной кассеты 9 и попадает в сектор 10, где установлен второй измерительный модуль 11, с помощью которого замеряют количество твердых примесей в воздухе, прошедшем через фильтр.

Для проверки работоспособности и настройки установки вначале производят пуск без фильтра в кассете 9, при этом эффективность фильтрации должна быть нулевой. Причем при включении дымогенератора 3 эффективность меняться не должна. Исследования начинают с количественного измерения загрязнений окружающего воздуха без включения дымогенератора 3 и форсунок 8. Данные от измерительных модулей 6 и 11 поступают на плату 12 открытой архитектуры. Отношение задержанных фильтром частиц пыли в объеме с фильтрованным воздухом к количеству частиц, попавших на фильтр, отражает эффективность фильтра. Данные с платы 12 можно выводить на монитор 13, отправлять на компьютер 14 или записывать в файл определенного формата. Также с помощью платы 12 можно осуществлять обратную связь с установкой и автоматически увеличивать давление воздуха за счет увеличения оборотов вентилятора 4, если измерительные модули 6 и 11 показывают слишком маленькие значения. В случае, если это ничего не меняет, плата сигнализирует о необходимости применения дымогенератора 3. Через сеть 32 WiFi плата 12 выходит в интернет и хранит данные на платформе 46 «интернет вещей». Также через платформу 46 осуществляют удаленное оперативное управление установкой.

При тестировании фильтров на эффективность производят исследования поочередно: без включения дымогенератора 3 и форсунок 8. Затем с включенным дымогенератором 3, но без включения форсунок 8. После чего подключают форсунки 8 и распыляют жидкость либо для осаждения крупных фракций частиц, либо для создания аэродисперсных смесей. Во всех случаях данные от измерительных модулей 6 и 11 отправляют на плату 12 открытой архитектуры для проведения сравнительного анализа и управления установкой.

При проведении исследований измерительные модули 6 и 11 работают следующим образом. Воздух, проходящий через исследовательскую установку, через отверстия 28 засасывается во входную зону корпуса модулей 6 или 11 с помощью крыльчатки 36, размещённой в корпусе первичного преобразователя 18. Через входное отверстие 34 первичного преобразователя 18 и через крыльчатку 36 воздух проходит через оптический замок, создаваемый перегородками 42 и 43 из светопоглощающего материала, и попадет в область 40 действия луча лазера 37. Фотодиод 39, закрытый с обеих сторон перегородками 41 и 42 из светопоглощающего материала, ловит сигнал, отраженный от частиц пыли, попадающих в область 40, фиксирует количество и размеры частиц загрязнений, находящихся в воздухе, каждый раз подавая электрические сигналы в аналоговый блок 44 с аналогово-цифровым преобразователем 45 измерительного модуля 6 и 11. Воздух из первичного преобразователя 18 выходит через выходное отверстие 35 в выходную камеру модуля 6 или 11 и через отверстие 29 измерительного модуля 6 или 11 попадает в корпус установки, смешиваясь с общим потоком. Благодаря установке перегородки 27 в корпусе измерительного модуля 6 и 11, разделяющей входной и выходной потоки воздуха, достигается компактность корпуса измерительного модуля 6 или 11 при изменении конфигурации и расположения деталей, исключается смешивание потоков, повышается точность измерений. Наличие перегородки 27 даёт возможность отказаться от требований прямоточности потока воздуха, что позволяет значительно уменьшить размеры модулей 6 и 11. Создание оптического замка в корпусе первичного преобразователя 18, выполненного в виде перегородок 41, 42 и 43 из светопоглощающего материала, также позволяет повысить точность измерений частиц пыли, попадающих на оптическую ось 38 лазера 37. Информация, полученная модулями 6 и 11, через USB разъемы 24, связанные с микроконтроллерами 19, а также через аналоговые (IDC) разъемы 26, предназначенные для подключения микроконтроллеров 19 к внешним устройствам. например, к плате 12 открытой архитектуры, поступает на обработку. Данные с платы 12 выводят на монитор 13 и отправляют на компьютер 14. С помощью платы 12 осуществляют обратную связь с установкой, автоматически увеличивая или уменьшая давление воздуха за счет изменения оборотов вентилятора 4. Также плата 12 может сигнализировать о необходимости применения дымогенератора 3. Посредством сети 32 WiFi плата 12 выходит в интернет, хранит данные на платформе 46 «интернет вещей», через которую осуществляют удаленное оперативное управление установкой.

Исследовательская установка для определения запылённости воздуха может быть использована в горизонтальном (см. фиг.1) и вертикальном (см. фиг. 2) положениях. В этом случае можно изучать горизонтальный и вертикальный дрейф в гравитационном поле под влиянием внешних факторов и без таковых.

Исследовательская установка для определения запылённости воздуха и измерительные модули количественного содержания твердых примесей в воздухе могут быть использованы, как набор-конструктор для проведения различных исследований, объединяя в себе задачи по механической сборке корпусных элементов, монтажу электрических схем, с использованием приборов для измерения запылённости, цифровой обработки поступающих от них сигналов, взаимодействию различных элементов установки посредством проводного протокола, а также взаимодействия установки с системой управления измерениями. Исследовательскую установку и измерительные модули можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Перед проведением экспериментов с исследовательской установкой ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники, работы системы управления и соответствующего раздела физики, химии и механики, а затем собрать установку, протестировать её работу и выполнить задания по изучению запылённости воздуха. Использование в программе обучения такой установки с измерительными модулями даёт возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе с электронной и измерительной техникой.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и многофункциональности исследовательской установки для определения запылённости воздуха и измерительного модуля количественного содержания твердых примесей в воздухе с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

1. Исследовательская установка для определения запылённости воздуха, содержащая основание с установленным на нём полым корпусом для поступления воздуха, вентилятором, фильтром, измерительными средствами, связанными с системой управления, отличающаяся тем, что она снабжена расположенным на входе полого корпуса источником создания запыленности воздуха, после которого расположен вентилятор, установленным далее на корпусе средством для впрыска жидкости, после которого расположен фильтр, причем измерительные средства выполнены в виде не менее чем двух измерительных модулей количественного содержания твердых примесей в воздухе, связанных с системой управления, снабженной электронной платой открытой архитектуры, и выполненных в виде разъёмного корпуса с перегородкой, разделяющей его на входную и выходную зоны, снабженного связанным с микроконтроллером первичным преобразователем, входное отверстие которого расположено во входной зоне, а выходное отверстие в выходной зоне измерительного модуля, а также снабженного USB разъемом, связанным с микроконтроллером, и аналоговым (IDC) разъемом для подключения микроконтроллера к внешним устройствам, при этом один измерительный модуль расположен впереди фильтра, а другой измерительный модуль расположен позади фильтра.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что источник создания запыленности воздуха выполнен в виде дымогенератора.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что средство для впрыска жидкости выполнено в виде форсунок.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что её корпус с основанием могут быть размещены либо горизонтально, либо вертикально.

5. Измерительный модуль количественного содержания твердых примесей в воздухе, включающий корпус с входной и выходной зонами, микроконтроллер, соединенные с ним первичный преобразователь, имеющий корпус с входным и выходным отверстиями, крыльчаткой, лазером и фотодиодом, и выходной интерфейс, отличающийся тем, что корпус измерительного модуля снабжен перегородкой для разделения входной и выходной зон, причём выходной интерфейс снабжён USB разъемом, связанным с микроконтроллером, и аналоговым (IDC) разъемом для подключения микроконтроллера к внешним устройствам, при этом входное отверстие первичного преобразователя расположено во входной зоне измерительного модуля, а выходное отверстие в выходной зоне измерительного модуля, при этом первичный преобразователь снабжен оптическим замком, выполненным в виде перегородок из светопоглощающего материала, разделяющих крыльчатку, лазер и фотодиод.