СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения загрязненности воздуха при санитарно-гигиеническом контроле воздуха рабочей зоны производственных помещений, очистных систем промышленных производств и экологическом мониторинге загрязнения атмосферы.

Известен способ определения массовой концентрации пыли в воздухе и устройство для его осуществления [1]. Устройство содержит насос и патрубки для пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, преобразователь плотности осажденной пыли, включающий источник и приемник β-излучения, а также арифметический блок для вычисления искомой концентрации с учетом объема пропущенного воздуха. Пыль, находящуюся в воздухе, осаждают на фильтрующем элементе и определяют поглощение β-излучения на нем до и после осаждения пыли.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится нестабильность преобразователя плотности пыли за время пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, достигающее в ряде случаев нескольких десятков часов. Эта нестабильность обусловлена изменением плотности воздуха в зазоре между источником и приемником β-излучения из-за изменения температуры, влажности и давления и флуктуациями интенсивности источника β-излучения, что вызывает значительную погрешность измерения.

Известен способ определения массовой концентрации пыли [2], который по совокупности признаков является наиболее близким аналогом заявляемого способа.

Согласно известному способу сначала калибруют преобразователь плотности пыли с помощью пленочной пластины известной плотности, которую вводят в его зазор вместе с чистым фильтрующим элементом, и линеаризуют рабочий участок характеристики поглощения преобразователя, а затем прокачивают анализируемый воздух через фильтрующий элемент, определяют поверхностную плотность пыли пропущенного воздуха в функции разности поглощения β-излучения чистым и загрязненным фильтрующим элементом, а результат измерения вычисляют как произведение упомянутой поверхностной плотности на площадь пятна напыления, деленное на объем пропущенного воздуха.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится увеличение зазора в преобразователе пыли из-за установки в нем при каждом измерении калибровочной пластины, приводящее к возрастанию погрешности преобразователя из-за непостоянства плотности воздуха в зазоре вследствие изменения температуры, влажности и давления за время измерения, а также наличие лишь двух точек аппроксимации, что снижает точность измерения и ограничивает возможность снижения погрешности линеаризации.

Известно устройство для определения массовой концентрации пыли [3], которое по совокупности признаков является наиболее близким аналогом заявляемого.

Устройство содержит подвижную платформу с отверстием и располагаемой над ним фильтровальной лентой, механизм перемещения и позиционирования платформы, пробоотборный блок, включающий насос, подводящий и отводящий патрубки, расположенные соосно над и под фильтровальной лентой и ортогонально к ее плоскости, источник и приемник β-излучения, находящиеся на общей оси ортогональной плоскости фильтровальной ленты, а также контроллер для операций управления узлами устройства, преобразования сигналов и вычисления. При этом линия перемещения подвижной платформы перпендикулярна направлению перемотки ленты и оси патрубков.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при измерении массовой концентрации пыли, относится снижение активности источника излучения за время экплуатации без калибровки и изменение характеристики поглощения β-излучения, связанное с быстрыми флуктуациями активности источника излучения и колебаниями плотности воздушного столба в зазоре между источником и приемником β-излучения в течение цикла измерения от температуры, влажности и давления, а также невозможность работы как с фильтровальной лентой, так и с одиночными фильтрами, что сужает возможности его применения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности при измерении массовой концентрации пыли и уменьшение используемого оборудования при расширении его функциональных возможностей.

Технический результат при осуществлении заявляемого решения заключается в обеспечении возможности определения отношения потока β-излучения, соответствующего измеряемой плотности, к полному потоку как при исходной калибровке по внешней мере известной плотности, проводимой однократно, так и при каждом измерении, вследствие чего вычисляемый результат оказывается независящим от любых изменений потока в зазоре между источником и приемником β-излучения, а также в том, что кусочно-линейная аппроксимация может быть сделана многоточечной с любой наперед заданной точностью. Кроме того, поскольку при последующих измерениях мера известной плотности физически отсутствует, то вместо нее становится возможным устанавливать одиночный фильтр, который можно использовать в дальнейшем для аналитических исследований состава пыли.

Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы разнообъектных изобретений, образующих единый изобретательский замысел и представляющих собой способ определения массовой концентрации пыли и устройство для его осуществления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом способе определения массовой концентрации пыли, использующем ее осаждение из воздуха на фильтрующий элемент, измерение интенсивностей потока β-излучения, получаемого при его прохождении через чистый и загрязненный фильтрующий элемент, определение поверхностной плотности осажденного пятна пыли и нахождение искомой концентрации пыли по геометрическим размерам пятна напыления и объему пропущенного через фильтрующий элемент воздуха с применением меры известной плотности, используемой для калибровки рабочего участка характеристики поглощения β-излучения при ее линейной аппроксимации, в отличие от известного способа предварительно перед измерениями на место фильтрующего элемента сначала устанавливают меру известной плотности и последовательно определяют полный поток β-излучения и поток, прошедший через меру, вычисляют массовый коэффициент поглощения β-излучения и задают значения виртуальных мер плотности, а также соответствующих им потоков на характеристике поглощения β-излучения, устанавливающих границы ее кусочно-линейной аппроксимации, затем при последующих измерениях перед осаждением пыли на фильтрующий элемент определяют полный поток β-излучения и поток, соответствующий прохождению β-излучения через чистый фильтрующий элемент, а после осаждения пыли на фильтрующий элемент вновь определяют полный поток β-излучения и поток, соответствующий прохождению β-излучения через загрязненный фильтрующий элемент, а искомую плотность пятна пыли, осажденной на фильтрующий элемент, для каждого участка кусочно-линейной аппроксимации характеристики поглощения β-излучения вычисляют по формуле:

где: П_П - искомая плотность пыли;

J₀ - полный поток β-излучения при калибровке;

П_i - плотность виртуальной меры, соответствующая начальному значению i-го участка аппроксимации;

П_i+1 - плотность виртуальной меры, соответствующая конечному значению i-го участка аппроксимации;

J_i - поток β-излучения, соответствующий виртуальной мере П_i в момент калибровки;

J_i+1 - поток β-излучения, соответствующий виртуальной мере П_i+1 в момент калибровки;

J₀₁ - полный поток β-излучения, измеренный перед осаждением пыли;

J₀₂ - полный поток β-излучения, измеренный после осаждения пыли;

J_Ф - поток β-излучения через чистый фильтрующий элемент;

J_ФП - поток β-излучения через загрязненный фильтрующий элемент.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом устройстве для определения массовой концентрации пыли, содержащем подвижную платформу с отверстием и располагаемой над ним фильтровальной лентой, пробоотборный механизм с насосом и соосно расположенными подводящим и отсасывающим патрубками, преобразователь плотности пыли, имеющий соосно расположенные источник ионизирующего излучения и приемник, оси которых расположены перпендикулярно плоскости фильтровальной ленты, а проекция линии между осями патрубков и преобразователя плотности пыли на плоскость ленты, являющаяся линией перемещения подвижной платформы, перпендикулярна оси перемотки ленты, механизм перемещения и позиционирования, связанный с подвижной платформой, аналого-цифровой преобразователь, вход которого связан с выходом приемника ионизирующего излучения, и контроллер, связанный с механизмом перемещения и позиционирования, аналого-цифровым преобразователем и насосом, в отличие от известного устройства подвижная платформа снабжена дополнительным отверстием для установки над ним меры известной плотности или одиночного сменного фильтра, а механизм перемещения и позиционирования выполнен с позициями для установки центра упомянутого дополнительного отверстия по оси преобразователя плотности и по оси патрубков и позицией, при которой подвижная платформа не перекрывает преобразователь плотности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что в заявляемом устройстве механизм перемещения и позиционирования выполнен с дополнительной позицией для установки середины между отверстиями в подвижной платформе по оси преобразователя плотности.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения массовой концентрации пыли.

Устройство содержит подвижную платформу 1, имеющую первое 2 и второе 3 отверстия. Над первым отверстием 2 расположена фильтровальная лента 4, перемещаемая перпендикулярно плоскости фигуры на чистый участок механизмом перемотки (не показан), над вторым отверстием 3 может быть расположена мера известной плотности 5 или одиночный фильтр. Кроме этого устройство содержит пробоотборный механизм, включающий в себя насос 6, соосно расположенные над и под лентой 4 подводящий 7 и отсасывающий 8 патрубки, ось которых перпендикулярна плоскости ленты 4, а также преобразователь плотности пыли, включающий в себя соосно расположенные источник ионизирующего β-излучения 9 и приемник β-излучения 10, ось которых также перпендикулярна плоскости ленты 4, и в зазор между которыми при измерении устанавливаются располагаемые на подвижной платформе 1 фильтровальная лента 4, мера известной плотности 5 или одиночный фильтр. Перемещение подвижной платформы 1 между осями патрубков и преобразователя пыли и установку ее в заданное положение осуществляет механизм перемещения и позиционирования 11. Устройство содержит также контроллер 12, соединенный с насосом 6, механизмом перемещения и позиционирования 11, и АЦП 13, вход которого соединен с выходом приемника β-излучения 10.

Заявляемый способ реализуется устройством следующим образом.

Перед началом измерений производят калибровку характеристики поглощения β-излучения, которая является экспоненциально убывающей [4], и задается коэффициентом массового поглощения μ. Для этого над отверстием 3 подвижной платформы 1 устанавливают меру 5 известной плотности П_N. После этого по сигналу с контроллера 12 платформа 1 последовательно устанавливается механизмом перемещения и позиционирования 11 в положение, когда зазор преобразователя плотности пыли открыт, в положение, когда центр между отверстиями 2 и 3 совпадает с осью преобразователя пыли и когда ось отверстия 3 с мерой 5 совпадает с осью преобразователя плотности пыли. Поток β-излучения источника 9 в первом случае вызовет на выходе приемника 10 сигнал, соответствующий полному потоку J₀ в сумме с начальным смещением J_СМ приемника 10, во втором - начальному смещению J_СМ, а в последнем - сумме потока J_N, ослабленного мерой 5, и начального смещения J_СМ. Начальное смещение приемника 10 может быть вызвано, например, входящим в него электрометрическим усилителем. Полученные значения, преобразованные в числовые с помощью АЦП 13, вносятся в память контроллера 12. После этого в контроллере 12 за вычетом начального смещения J_СМ определяется коэффициент массового поглощения , задающий характеристику поглощения приемника 10. Далее значения плотностей П_i и П_i+1, соответствующих границам участка кусочно-линейной аппроксимации, вводят в контроллер 12, в котором по известному коэффициенту массового поглощения μ вычисляются и запоминаются соответствующие им значения потоков J_i и J_i+1. При этом значение плотности П_i=П₁ первого участка кусочно-линейной аппроксимации выбирают близким к плотности фильтровального элемента, а значение П_i+1 последнего участка - плотности, соответствующей сумме плотностей фильтровального элемента и максимальной измеряемой навески пыли.

Цикл рабочего измерения проводится по сигналам с контроллера 12 в следующей последовательности.

На первом этапе подвижная платформа 1 с расположенным над отверстием 2 участком чистой фильтровальной ленты 4 последовательно устанавливается в следующие позиции:

- платформа 1 установлена вне зазора преобразователя пыли, и на выходе приемника 10 возникает сигнал , соответствующий сумме полного потока J₀ и смещения начального уровня приемника 10 J_CM1;

- ось преобразователя пыли совмещена с центром между отверстиями 2 и 3, и на выходе приемника 10 возникает сигнал смещения его начального уровня J_CM1,

- ось отверстия 2, над которым расположена фильтровальная лента 4, совмещена с осью преобразователя пыли, и на выходе приемника 10 появляется сигнал , соответствующий сумме потока через чистую фильтровальную ленту J_Ф и смещения начального уровня приемника 10 J_CM1.

Сигналы с выхода приемника 10 через АЦП 13 поступают в память контроллера 12. Затем платформа 1 перемещается так, чтобы ось отверстия 2 с фильтровальной лентой 4 над ним совпала с осью патрубков 7 и 8, после чего включается насос 6 и через фильтровальную ленту 4 прокачивается анализируемый воздух.

После этого подвижная платформа 1 с загрязненной фильтровальной лентой 4 последовательно устанавливается в те же позиции, что и с чистой фильтровальной лентой. При этом в память контроллера 12 вносятся значения сигналов , J_CM2 и J_ФП, где индекс 2 соответствует значениям, полученным после прокачки воздуха, а J_ФП - поток через загрязненную фильтровальную ленту.

Поверхностная плотность пятна напыления П_П вычисляется контроллером 12 в соответствии с выражением

а искомая концентрация пыли в воздухе - как произведение плотности пятна напыления на его площадь, деленное на объем прокачанного через фильтровальную ленту воздуха.

Из приведенного выражения следует, что в нем присутствуют отношения потоков излучения к полному потоку, присущие характеристике поглощения в каждый из моментов измерений: при начальной калибровке, цикле измерений на чистой фильтровальной ленте и цикле измерений на загрязненной фильтровальной ленте. Это означает, что изменение активности источника излучения, или поглощения излучения в воздушном зазоре преобразователя пыли не влияет на получаемый результат. Отсюда же следует что, приведенное выражение в каждый из моментов измерения свободно от смещения приемника излучения 10. Кроме того, из него видно, что виртуальные меры П_i и П_i+1 могут быть выбраны в любой желаемой точке характеристики поглощения и с любой требуемой точностью аппроксимации.

Перед каждым последующим циклом рабочего измерения механизм перемотки фильтровальной ленты по сигналу с контроллера 12 перемещает и фиксирует ее на новом (чистом) участке. После этого указанные выше операции рабочего цикла в соответствии с программой работы контроллера 12 повторяются.

Поскольку дополнительное отверстие 3 платформы 1, предназначенное для установки меры известной плотности, используется только при первичной калибровке, а в дальнейшем в определении результатов измерений участвуют лишь виртуальные меры П_i и П_i+1, то оно может быть использовано для установки одиночного фильтра. Такой фильтр после измерений может быть, в отличие от ленточного, вынут и подвергнут дополнительному (сравнительному, аналитическому) исследованию, что расширяет возможности использования устройства, реализующего заявляемый способ.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Литература.

1. ISO 10473: 2000(E), p.4-5, fig.1.

2. Пат. Японии №9127023, МПК G 01 N 23/06, 16.05.97.

3. А.с. СССР №1288551 А1, МПК G 01 N 15/00, 07.02.87, Бюл. №5.

4. Шумиловский Н.Н., Мельтцер Л.В. Основы теории устройств автоматического контроля с использованием радиоактивных изотопов, ИАН СССР, М., 1959, стр.6.

Использование: относится к измерительной технике и может быть использовано для определения загрязненности воздуха при санитарно-гигиеническом контроле воздуха производственных помещений, очистных систем промышленных производств и экологическом мониторинге загрязнения атмосферы. Сущность: пыль осаждают на фильтрующий элемент, измеряют интенсивность полного потока β-излучения и потока через фильтрующий элемент до осаждения, а затем после осаждения вычисляют поверхностную плотность в соответствии с фактической характеристикой поглощения β-излучения. Калибровку характеристики поглощения производят однократно перед измерениями с использованием меры известной плотности, измеряя, как и ранее, интенсивность полного потока β-излучения и потока через меру. Вычисление искомой концентрации пыли производят исходя из плотности пятна напыления, его геометрических размеров и объема пропущенного воздуха. Реализация заявляемого способа осуществляется устройством, которое содержит подвижную платформу (ПП) 1, имеющую первое 2 и второе 3 отверстия. Над первым отверстием 2 располагают фильтрующий элемент в виде фильтровальной ленты (ФЛ) 4, над вторым отверстием 3 - меру известной плотности 5 или одиночный фильтр. Кроме этого устройство содержит пробоотборный механизм, включающий в себя насос 6, соосно расположенные над и под ФЛ 4 подводящий 7 и отсасывающий 8 патрубки, ось которых перпендикулярна плоскости ФЛ 4, а также преобразователь плотности пыли, включающий в себя соосно расположенные источник ионизирующего β-излучения 9 и приемник β-излучения (ПИ) 10, ось которых также перпендикулярна плоскости ФЛ 4, и в зазор между которыми при измерении устанавливаются располагаемые на ПП 1 ФЛ 4, мера известной плотности 5 или одиночный фильтр. Перемещение ПП 1 между осями патрубков и преобразователя пыли и установку ее в заданное положение осуществляет механизм перемещения и позиционирования (МПП) 11. Устройство содержит также контроллер 12, соединенный с насосом 6, МПП 11, и АЦП 13, вход которого соединен с выходом ПИ 10. Технический результат изобретения заключается в уменьшении используемого оборудования, повышении точности измерения за счет однократной начальной калибровки по мере известной плотности и многоточечной кусочно-линейной аппроксимации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения массовой концентрации пыли, использующий ее осаждение из воздуха на фильтрующий элемент, измерение интенсивностей потока β-излучения, получаемого при его прохождении через чистый и загрязненный фильтрующий элемент, определение поверхностной плотности осажденного пятна пыли и нахождение искомой концентрации пыли по геометрическим размерам пятна напыления и объему пропущенного через фильтрующий элемент воздуха с применением меры известной плотности, используемой для калибровки рабочего участка характеристики поглощения β-излучения при ее линейной аппроксимации, отличающийся тем, что предварительно перед измерениями на место фильтрующего элемента сначала устанавливают меру известной плотности и последовательно определяют полный поток β-излучения и поток, прошедший через меру, вычисляют массовый коэффициент поглощения β-излучения и задают значения виртуальных мер плотности, а также соответствующих им потоков на характеристике поглощения β-излучения, устанавливающих границы ее кусочно-линейной аппроксимации, затем при последующих измерениях перед осаждением пыли на фильтрующий элемент определяют полный поток β-излучения и поток, соответствующий прохождению β-излучения через чистый фильтрующий элемент, а после осаждения пыли на фильтрующий элемент вновь определяют полный поток β-излучения и поток, соответствующий прохождению β-излучения через загрязненный фильтрующий элемент, а искомую плотность пятна пыли, осажденной на фильтрующий элемент, для каждого участка кусочно-линейной аппроксимации характеристики поглощения β-излучения вычисляют по формуле

где П_П - искомая плотность пыли;

J₀ - полный поток β-излучения при калибровке;

П_i - плотность виртуальной меры, соответствующая начальному значению i-го участка аппроксимации;

П_i+1 - плотность виртуальной меры, соответствующая конечному значению i-го участка аппроксимации;

J_i - поток β-излучения, соответствующий виртуальной мере П_i в момент калибровки;

J_i+1 - поток β-излучения, соответствующий виртуальной мере П_i+1 в момент калибровки;

J₀₁ - полный поток β-излучения, измеренный перед осаждением пыли;

J₀₂ - полный поток β-излучения, измеренный после осаждения пыли;

J_ф - поток β-излучения через чистый фильтрующий элемент;

J_ФП - поток β-излучения через загрязненный фильтрующий элемент.