УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЧЕТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению размеров и счетной концентрации твердых частиц в потоке газа, и может быть использовано в аэрокосмической технике (системах газоснабжения и термостатирования ракетоносителей и космических аппаратов при подготовке их к пуску на стартовых комплексах), в биологических и химических технологиях, при контроле чистоты воздуха в производственных помещениях и окружающей среде.

Эффективность и надежность функционирования оптических и микроэлектронных устройств, находящихся в отсеках ракетоносителей и космических аппаратах, а также стерильность получения биологических и химических субстанций зависят от чистоты среды, в которой они эксплуатируются (или получаются), поэтому в процессе подготовки к пуску ракетоносителей на стартовых комплексах (или в процессе получения биологических и химических субстанций) необходим постоянный и непрерывный контроль чистоты газов, подаваемых в отсеки ракетоносителей и космические аппараты (места получения биологических или химических субстанций) путем измерения размеров и счетной концентрации твердых частиц с высокой точностью (от 5 до 10% от измеряемой величины). При этом ограничено или вовсе отсутствует время, необходимое для проведения калибровочных операций по проверке точности средств контроля чистоты газов.

При патентных исследованиях были найдены патенты на устройства для измерения счетной концентрации твердых частиц в газах, использующие принципы рассеивания или гашения света по патентам США 5085500, 5121988, 4135821, 4434647, класс МКИ 6: G 01 N 15/02, рассмотренные нами в качестве аналогов предлагаемого изобретения. В этих устройствах используется принцип первичного калибрования детекторов частиц при помощи пробы, несущей частицы известного размера. Проба проходит через луч света, присутствующий в объеме обозрения. Детектор обнаруживает изменения в интенсивности света и производит электрические импульсы пропорционально воспринятой интенсивности света. Этот принцип калибровки имеет два существенных недостатка:
проба с частицами требует точного расположения внутри объема обозрения, что требует наличия точного регулирования прецизионного оборудования в лабораторных условиях;
процедура первичного калибрования требует большой затраты времени и наличия специального оборудования, которое обычно отсутствует на месте, где производится контроль чистоты газа, поэтому приходится пользователю средств контроля возить их в специальную лабораторию для проведения калибровки.

Два вышеуказанных недостатка увеличивают межкалибровочный период, что повышает вероятность получения недостоверных данных регистрируемого количества и размеров твердых частиц.

Другим аналогом является фотоэлектрический анализатор частиц по а.с. СССР 1343302, G 01 N 15/02, в котором для формирования калибровочных импульсов используется механический амплитудный модулятор, состоящий из электродвигателя, на валу которого установлен диск с прорезями, дополнительного световода, узла перемещения световода с фиксатором, позволяющего проводить калибровку анализатора в процессе измерения счетной концентрации. Однако механический модулятор имеет недостатки, уменьшающие точность калибровки и измерения анализатора частиц:
наличие большого количества механических креплений, непосредственно снижающих точность калибровки;
узел перемещения световода с фиксатором, особенно при работе в широком диапазоне температур окружающей среды минус 40-50^oС, приводит к увеличению относительной погрешности величины амплитуды калибровочных импульсов.

Кроме того, наличие электродвигателя, требующего специальной смазки, работоспособной в указанном диапазоне температур окружающей среды, снижает надежность работы анализатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа по Международному патенту РСТ 97/11349, G 01 N 15/02, которое принято нами в качестве прототипа предлагаемого устройства для измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа. В блоке управления прототипа эпизодически вырабатывается одиночный калиброванный по амплитуде импульс, который через электронный модулятор поступает к источнику света, вырабатывающему соответствующий световой импульс, проходящий через поток газа и улавливаемый детектором с усилителем и далее анализатором импульсов.

Преимуществом этого устройства является отсутствие потребности в дополнительном оборудовании для калибровки, что позволяет проводить калибровку на месте установки устройства в составе системы подачи газа, чистота которого контролируется.

Однако устройство обладает и следующими недостатками:
калибровка устройства производится не постоянно, а эпизодически;
анализ одиночного калибровочного импульса только по амплитуде может быть неточным, так как на величину амплитуды импульса может повлиять сигнал от рядом пролетающей твердой частицы в потоке газа и исказить величину амплитуды калибровочного сигнала, что снизит точность калибровки детектора и всего устройства;
в некоторых случаях за калибровочные импульсы при их отсутствии могут быть приняты детектором и анализатором импульсы от твердых частиц потока газа одинаковой амплитуды с амплитудой калибровочного импульса.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, повышение надежности и точности измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа путем обеспечения постоянной калибровки устройства в процессе измерения по амплитуде частоте и длительности калибровочных импульсов. При этом исключается возможность влияния на калибровочные импульсы импульсов рассеивания света от твердых частиц потока, так как мала вероятность одновременного совпадения амплитуды, частоты и длительности калибровочных импульсов и импульсов, создаваемых твердыми частицами в потоке газа.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа, содержащее блок управления, управляющий через электронный модулятор, и блок регулирования амплитуды калибровочных импульсов источником света, направляющим световые калибровочные импульсы через объективы в камеру с потоком газа, последовательно расположенные за камерой детектор и усилитель, улавливающие и усиливающие световые импульсы, а затем направляющие их в анализатор амплитуды калибровочных импульсов, снабжено блоком регулирования частоты и длительности калибровочных импульсов, подключенным к электронному модулятору, анализатором частоты и длительности калибровочных импульсов, подключенным после усилителя параллельно анализатору амплитуды, и интегратором, подключенным к выходу анализаторов и к входу блока управления для обмена информацией по амплитуде, частоте и длительности калибровочных импульсов.

Предлагаемое устройство для измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа, принципиальная схема которого приведена на чертеже, состоит из блока управления 1, соединенного через электронный модулятор 2, блок регулирования амплитуды калибровочных импульсов 3 и вновь вводимый блок регулирования частоты и длительности калибровочных импульсов 4 с источником света 5. Импульсы света через объективы 6 и 7 подаются в камеру 8 с потоком газа и затем в детектор 9, усилитель импульсов 10, анализатор амплитуды калибровочных импульсов 11, вновь введенные анализатор частоты и длительности калибровочных импульсов 12 и интегратор 13, соединенный с блоком управления 1 для обмена информацией.

Устройство работает следующим образом. Блок управления 1 формирует сигналы на электронный модулятор 2, блок регулирования амплитуды калибровочных импульсов 3 и блок регулирования частоты и длительности калибровочных импульсов 4. В блоке управления 1 имеется устройство памяти, в котором хранятся пачки импульсов определенной амплитуды, частоты и длительности, а также устройство для приема от интегратора 13 или передачи на интегратор 13 информации о параметрах калибровочных импульсов.

Электронный модулятор 2 осуществляет модуляцию источника света 5 в соответствии с полученными сигналами от блока управления 1 и блоков 3 и 4, в результате источник света 5 излучает заданную пачку калибровочных импульсов на объективы 6 и 7.

Детектор 9 фиксирует пачку калибровочных импульсов, прошедших объективы 6, 7 и камеру 8 с потоком газа. Усилитель 10 увеличивает мощность импульсов и подает их на анализатор амплитуды 11 и анализатор частоты и длительности импульсов 12.

Интегратор 13 не учитывает данные анализаторов 11 и 12 от тех импульсов, амплитуда которых отличается от амплитуды калибровочных импульсов, а также импульсы другой частоты и длительности, что способствует увеличению точности калибровки, а следовательно, и точности измерения количества и величины частиц в потоке газа. Калибровка осуществляется постоянно в процессе работы устройства через заданные промежутки времени, по крайней мере, перед каждым штатным измерением счетной концентрации в потоке газа.

Предварительные испытания опытного образца устройства, выполненного по предлагаемой схеме, показали, что точность измерения количества частиц и их размеров в измеряемом в процессе испытаний диапазоне от 0,5 до 1 мкм увеличивается на 10-15% по сравнению с точностью измерения существующих счетчиков аэрозольных частиц типа ПК.ГТА-0,3-002.

Предлагаемое устройство для измерения счетной концентрации частиц в потоке газа (воздуха, азота, гелия) может быть использовано в системах газоснабжения и термостатирования как существующих стартовых комплексов для ракетоносителей типа "Союз", "Зенит", "Протон", так и при создании новых стартовых комплексов, например, для ракетоносителя типа "Аврора" и "Онега".

Использование: относится к измерительной технике и может быть использовано в аэрокосмической технике при контроле чистоты газов систем газоснабжения и термостатирования, а также в биологических и химических технологиях, при контроле чистоты воздуха в производственных помещениях и окружающей среде. Технический результат: повышение надежности и точности измерения счетной концентрации твердых частиц путем обеспечения постоянной калибровки устройства в процессе измерений по амплитуде, частоте и длительности калибровочных импульсов. Сущность: в устройство, состоящее из блока управления, соединенного с источником света через электронный модулятор и блок регулирования амплитуды калибровочных импульсов, вводится блок регулирования частоты и длительности калибровочных импульсов. Импульсы света через объективы подаются в камеру с потоком газа и затем в детектор, усилитель импульсов, анализатор амплитуды калибровочных импульсов, вновь введенные анализатор частоты и длительности калибровочных импульсов и интегратор, который соединен с блоком управления для обмена информацией. 1 ил.

Устройство для измерения счетной концентрации твердых частиц в потоке газа, содержащее блок управления, управляющий через электронный модулятор, и блок регулирования амплитуды калибровочных импульсов источником света, направляющим световые калибровочные импульсы через объективы в камеру с потоком газа, последовательно расположенные за камерой детектор и усилитель, улавливающие и усиливающие световые импульсы, а затем направляющие их в анализатор амплитуды калибровочных импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено блоком регулирования частоты и длительности калибровочных импульсов, подключенным к электронному модулятору, анализатором частоты и длительности калибровочных импульсов, подключенным после усилителя параллельно анализатору амплитуды, и интегратором, подключенным к выходу анализаторов и к входу блока управления для обмена информацией по амплитуде, частоте и длительности калибровочных импульсов.