Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля Советский патент 1987 года по МПК G01N15/02 

112

Изобретение относится к оптическим приборам для измерения концентрации частиц аэрозоля и может быть использовано для измерения концентрации пыли в атмосфере угольных шахт. Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг,1 представлена схема,поясняющая принцип работы устройства; на фиг, 2 - схема выполнения узла регистрации световых потоков.

Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля содержит последовательно размещенные вдоль оптической оси светодиод 1, коллиматор, включающий двухлинзовый объектив 2 и диафрагму 3, диафрагмы 4s патрубки 5, диафрагмы 6 экранирующую насадку 7, кольцевую собирающую оптическую систему 8, которая может быть выполнена в виде пластмассового блока из двух линз с отверстием в центре, куда вставляется экранирующая насадка 7 и фотоприемники направленного 9 и рассеянного 10 световых потоков. Число диафрагм 6 для защиты оптики зависит от измеряемых концентраций и размеров витающих частиц. Установка пяти диафрагм обеспечивает достаточную защиту от загрязнения при концентрациях до 500-1000 мг/м, что подтверждается иccлeдoвaния ш в пылевой камере. Такое же количество диафрагм целесообразно разместить со стороны источника света (диафрагмы 4). Диаметр отверстий диафрагм 6 определяется образующей конуса, выходящей из центра рассеивающего объема (0), при равномерном их {эазмещении от точки О до кольцевой собирающей оптической системы 8. Указанные диафрагмы выполнены в виде полых усеченных конусов, образующие которых наклонены к оси под углами порядка IS-SO. Широкая часть этих конусов переходит в цилиндр для удобства размещения в общем кожухе.

Размеры экранирующей насадки определяются образующей конуса, вь1- ходящей из центра (0) под меньшим углом и осевым отверстием в ней для пропускания направленного светового пучка. При диаметре поспеднего в 5 мм отверстие должно быть 6-7 мм, Канавки на поверхности насадки можно выполнить в виде резьбы в отвертии и ткольцевых проточек на конусе,

O

5

0

8472

глубина их максимально возможная и определяется конструктивными особенностями материала насадки..Экранирующую насадку 7 удобно закрепить в отверстии кольцевой собираклцей оптической системы 8.

Кроме того, устройство содержит преобразователи 11 и 12 токов фотоприемников в электрический сигнал и дифференциальный усилитель 13 сравнения сигналов преобразователей 11 и 12, а также схему возбуждения, регулирования и стабилизации, включающую дифференциальный усилитель 14 обратной связи с источником 15 опорного сигнала, возбуждения светодио- да и элементы 16 регулирования тока источника света, импульсный генератор 17 и блок 18 регистрации.

Устройство работает следующим образом.

Светодиод t излучает световые импульсы, возбужд.аемые в нем импульс- ным генератором 17. Далее световой поток коллимируется двухлинзовым объективом 2 и диафрагмой 3 и в виде параллельного светового пучка диа- . метром около 5 мм пересекает рабочий . рассеивающий объем с центром в точке О. При этом направленный пучок через отверстие в экранирующей на- , садке 7 попадает на фотоприемник 9, ток которого усиливается и демодули- руется преобразователем 11. Полученный сигнал поступает на один из входов дифференциального усилителя 14 обратной связи, где сравнивается с напряжением источника 15 опорного сигнала.

Сигнал рассогласования воздействует на элемент 16 регулирования тока, замыкая контур стабилизации светового потока. Наличие контура стабилизации обеспечивает стабильный световой поток в рабочем объеме и компенсирует возможное загрязнение оптики и изменение свойств излучателя и фотоприемника.

Полезный сигнал о концентрации формируется за счет малоуглового светорассеяния дисперсной фазы,поступившей в рассеивающий объем с потоком воздуха через патрубки 5. Собиранию света способствуют диафрагмы 6 и экранирующая насадка 7, образуя зазор для пропускания рассеянного света. Этот зазор обеспечивает апертуру - собирания рассеянного светового пото5

0

45

50

55

312

ка в пределах 2-8°, Со стороны меньших значений углы ограничиваются возрастающим паразитным световым фоном, который невозможно подавить экранирующей насадкой 7 из-за дифракции на ее кромках коллимирующей диафрагмы 3. Увеличение углов в большую сторону приводит к потере чувствительности к крупным частицам.

На практике, учитывая диаметр светового пучка и размеры рассеивающего объема, оптимальные углы наклона образующих конусов экранирующей насадки и отверстий диафрагм к оси выбирают 3° и 7° соответственно или даже 4 и 7°.

Рассеянный световой поток собирается кольцевой собирающей оптической системой 8 и направляется на фотоприемник 10 рассеянного светового «потока. Ток последнего усиливается и демодулируется преобразователем 12 и подается на один из входов дифференциального усилителя 13. На второй его вход поступает сигнал от преобразователя fl. Усилитель 13 служит для компенсации тока преобразователя, вызванного паразитной засветкой фотоприемника 10 рассеянного светового потока, причем в качестве опорного напряжения используется сигнал, поступающий с выхода преобразователя 11 .

Разностный сигнал этого усилителя служит мерой концентрации дисперсной фазы аэрозоля и может регистрироваться или преобразовьшаться к виду удобному для считывания и отображения.

Устройство позволяет непрерывно измерять общую массу витающих частиц в течение продолжительного времени, что важно при контроле концентрации пыли в выработках угольных шахт, в условиях высоких (до 1000 мг/м) концентраций.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля, включакяцее последовательно размещенные вдоль оптической оси источ1847

5

0

5

0

5

0

5

0

ник света, коллиматор, рассеивающий объем, кольцевую собирающую оптическую систему и фотоприемники рассеянного и направленного световых потоков, а также схему регистрации, включающую преобразователи токов фотоприемников, генератор возбуждения, электрически связанный с источником света, и схему возбуждения, регулирования и стабилизации направленного светового потока, блок регистрации, причем выходы фотоприемников соединены с входами преобразователей токов, выход преобразователя тока фотоприемника направленного светового по.тока соединен с входом схемы возбуждения, регулирования и стабилизации направленного светового потока, отлич.ающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения, оно содержит ряд непрозрачных диафрагм с осевыми отверстиями, размещенных по оптической оси устройства, равномерно одна за другой между рассеивающим объемом и кольцевой собирающей оптической системой, расположенной концентрично относительно вьшолненной в виде усеченного конуса с осевым отверстием экранирующей насадки, закрепленной в полости, образованной отверстиями диафрагм, большим основанием непосредственно перед оптической системой соосно с ней, образуя соместно с диафрагмами зазор для рассеянного света, сходящийся к центру рассеивающего объема под углами к оси в пределах от 2 до 8° по образуюш 1м конусов экранирующей насадки и отверстий ди- афра-гм, а также дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам преобразователей токов фотоприемников рассеянного и направленного световых потоков, а выход присоединен к входу блока регистрации.

2. Устройство по п.1,отличающееся тем, что содержит от 5 до 7 диафрагм, выполненных в виде полых усеченных конусов, направленных узкими торцами с отверстиями к рассеивакицему объему, а экранирующая насадка имеет на поверхности кольцевые канавки.

6

fas. 2