FI20195735A1 - Laite ilman laadun mittaamiseksi - Google Patents

Abstract

Laitteessa ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi on laserlähde (701) laservalon tuottamiseksi ja suuntaamiseksi kohdealueelle, ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman ohjaamiseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi ja kohdealueen viereen sijoitettu valonilmaisin (704) sellaisten valosykäysten havaitsemiseksi, jotka syntyvät ilmavirtauksen kuljettamien hiukkasten sirottaessa laservaloa kohdealueella. Laitteessa on valoansa (201) laserlähteen (701) ja kohdealueen välillä kohdealueelle kulkeutuvan hajavalon vähentämiseksi. Valoansassa (201) on ainakin kaksi laservalon kulkusuuntaan nähden oleellisesti poikittaista väliseinää (204, 205, 206) ja niistä kussakin aukko (401, 403, 406) halutulla tavalla rajatun määrän laservaloa päästämiseksi kyseisen väliseinän läpi. Väliseinät (204, 205, 206) ovat osa samaa kappaletta, joka on valmistettu yhtenäisenä siten, että kutakin aukoista (401, 403, 406) rajaa koko aukon ympärysmitalta yhtenäinen osuus mainittua yhtenäisenä valmistettua kappaletta.

Description

LAITE ILMAN LAADUN MITTAAMISEKSI

KEKSINNÖN ALA Keksintö koskee yleisesti laitteita ilman laadun mittaamiseksi. Erityisesti keksintö koskee laitteita, joilla voidaan mitata hiukkasten pitoisuus ilmassa.

KEKSINNÖN TAUSTA Pienhiukkasiksi nimitetään ilmassa leijuvia, halkaisijaltaan enintään joidenkin mikrometrien kokoi- sia kiinteitä hiukkasia. Termien käytössä on jonkin verran vaihtelua, mutta erään käytännön mukaisesti al- le 2,5 mikrometrin halkaisijaiset hiukkaset ovat pien- hiukkasia ja alle 10 mikrometrin hiukkaset ovat hengi- tettäviä hiukkasia. Englanninkielisissä lähteissä käy- tetään yleistermejä suspended particulate matter (SPM), particulate matter (PM) tai particulates, joi- den alalajeja ovat karkeat hiukkaset (coarse parti- cles; halkaisija 2,5-10 mikrometriä), hienojakoiset hiukkaset (fine particles; halkaisija alle 2,5 mikro- metriä) ja ultrahienojakoiset hiukkaset (ultrafine particles; halkaisija alle 0,1 mikrometriä). Esillä olevan keksinnön kannalta hiukkasten koolle ei ole tarpeen asettaa mitään tiukkoja rajoja, = joten tässä tekstissä puhutaan yleisesti hiukkasista, N kun tarkoitetaan sellaisia ilmassa leijuvia hiukkasia, 3 joiden pitoisuutta halutaan kulloinkin mitata. Tyypil- S 30 lisesti eniten merkitystä on kuitenkin hengitettävil- I lä, eli halkaisijaltaan alle noin 10 mikrometrin hiuk- + kasilla. & Kuva 1 esittää tunnettua periaatetta ilman 3 hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi. ZLaserdiodilla 101 S 35 tuotetaan lasersäde 102, joka suunnataan kohdealueelle

103. Kohdealueen 103 läpi järjestetään ilmavirtaus

104, jonka mukana mitattavat hiukkaset kulkevat. Ilma- virtaus voidaan tuottaa esimerkiksi puhaltimella. Koh- dealueen 103 ympärillä yhdessä tai useammassa suunnas- sa on valonilmaisin tai -ilmaisimia 105. Hiukkanen, joka kulkee ilmavirtauksen 104 mukana kohdealueelle 103 ja osuu lasersäteeseen, sirottaa laservaloa ympä- rilleen. Ainakin osa tästä laservalosta havaitaan va- losykäyksenä valonilmaisimilla 105. Kun virtaavan il- man määrä aikayksikössä tunnetaan ja tietyn ajan kulu- essa havaitut valosykäykset lasketaan, ilman hiukkas- pitoisuus voidaan laskea.

Laserdiodi 101 voi olla asennettuna piirile- vylle 106, jolla olevat muut komponentit välittävät laserdiodille 101 sen vaatiman käyttöjännitteen. Pii- rilevy voi olla sijoitettuna koteloon 107, joka toimii suoja- ja tukirakenteena. Lasersäteen tuottamisessa ja suuntaamisessa syntyvän hajavalon rajoittamiseksi voi- daan käyttää valoansoja, joita kuvassa 1 esittävät vä- liseinät 108 ja 109.

Tunnetun tekniikan mukaisessa järjestelyssä on ongelmia erityisesti, jos se halutaan rakentaa pie- nikokoiseksi ja paristokäyttöiseksi ja sen valmistus- kustannukset halutaan pitää kohtuullisina. Eräs seu- raus pienikokoisuuden vaatimuksesta on se, että haja- valon eliminointi käy yhä monimutkaisemmaksi: mitä la- hempänä valonilmaisin tai -ilmaisimet ovat valonläh- dettä, sitä vaikeampaa on estää hajavalon kulkeutumi- > nen. Vaatimus kustannusten pitämisestä alhaisina vai- N kuttaa samalla tavalla, koska halvat laserit ja halvat 3 30 optiikat tuottavat yleensä enemmän hajavaloa kuin kal- S liit. Paristokäyttöisyys tarkoittaa muun muassa, että z sähköenergiaa on käytettävissä vähän, jolloin kohde- * alueelle on vaikeampi tuottaa riittävä valon kirkkaus, & ja samalla myös valosykäysten havaitsemiseen käytettä- 3 35 vän elektroniikan käytettävissä on vain vähän tehoa. S Puhallinmoottorit, joilla ilmavirtaus on tavattu tuot-

taa, ovat myös paristojen latauksen riittävyyden kan- nalta ongelmallisia.

KEKSINNÖN YHTEENVETO Esillä olevan keksinnön tavoitteena on esit- tää laite ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi niin, että laite on pienikokoinen ja valmistuskustannuksil- taan edullinen ja se kuluttaa vain vähän sähköä. Kek- sinnön tavoitteena on myös, että laite on helposti in- tegroitavissa osaksi suurempaa kokonaisuutta, jossa voi olla myös muita mittauslaitteita, niin että integ- roimisesta on saatavissa synergiaa kokonaisuuden osien välillä.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan sisällyttä- mällä laitteeseen oheisen itsenäisen patenttivaatimuk- sen mukaiset piirteet.

Keksinnön mukaisessa laitteessa on laserlähde laservalon tuottamiseksi ja suuntaamiseksi kohdealu- eelle, ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman oh- jaamiseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi ja kohde- alueen viereen sijoitettu valonilmaisin sellaisten va- losykäysten havaitsemiseksi, jotka syntyvät ilmavir- tauksen kuljettamien hiukkasten sirottaessa laservaloa kohdealueella. Laitteessa on valoansa laserlähteen ja kohdealueen välillä kohdealueelle kulkeutuvan hajava- o lon vähentämiseksi. Valoansassa on ainakin kaksi la- > servalon kulkusuuntaan nähden oleellisesti poikittais- & ta väliseinää ja niistä kussakin aukko halutulla ta- 2 30 valla rajatun määrän laservaloa päästämiseksi kyseisen © väliseinän läpi. Väliseinät ovat osa samaa kappaletta, E joka on valmistettu yhtenäisenä siten, että kutakin LO aukoista rajaa koko aukon ympärysmitalta yhtenäinen S osuus tätä yhtenäisenä valmistettua kappaletta. 2 35 Erään suoritusmuodon mukaan mainittu yhtenäi- N senä valmistettu kappale on valmistettu ruiskupurista- malla. Tästä on etua, koska ruiskupuristaminen on suurten kKappalemäärien valmistamiseen edullinen ja riittävän mittatarkka valmistusmenetelmiä.

Frään suoritusmuodon mukaan mainittuihin ai- nakin kahteen väliseinään lukeutuu ensimmäinen väli- seinä ja toinen väliseinä, jotka sijaitsevat tässä järjestyksessä laserlähteestä kohdealueeseen päin. En- simmäisessä väliseinässä oleva aukko on laservalon op- tista akselia pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen puolelta, ja toisessa väli- seinässä oleva aukko on laservalon optista akselia pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen si- ten, että se on suurempi kohdealueen puolelta kuin la- serlähteen puolelta. Tästä on etua, koska aukkojen muotoilu rajoittaa tehokkaasti hajavalon etenemistä ja koska väliseinien aukot voidaan valmistaa käyttämällä sopivia keernoja muotissa.

Frään suoritusmuodon mukaan mainittuihin ai- nakin kahteen väliseinään lukeutuu lisäksi kolmas vä- liseinä, joka on laserlähteen ja ensimmäisen välisei- nän välillä. Kolmannessa väliseinässä oleva aukko on laservalon optista akselia pitkin otetulta halkileik- kaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen puolelta. Tästä on samanlaista etua kuin kahden muunkin aukon vastaa- vasta muotoilusta.

Frään suoritusmuodon mukaan mainittu yhtenäi- = senä valmistettu kappale muodostaa pidikkeen laserläh- N teelle sen pitämiseksi ennalta valitussa asemassa koh- 3 30 dealueeseen nähden. Tästä on etua, koska laserlähde S saadaan asennettua hyvin toistettavalla tavalla kai- z kissa tällä tavoin valmistettavissa laitteissa eikä * sen pitämiseksi paikallaan tarvita erillistä osaa.

& Frään suoritusmuodon mukaan osa mainitusta 3 35 yhtenäisenä valmistetusta kappaleesta muodostaa maini- S tun valonilmaisimen aktiivista aluetta ympäröivän reu- nan. Tästä on etua, koska sivuilta päin valonilmai-

simelle pyrkivää hajavaloa voidaan rajoittaa tehok- kaasti.

Erään suoritusmuodon mukaan etäisyys laser- lähteestä kohdealueen keskipisteeseen on välillä 10 - 5 20 millimetriä.

Tästä on etua, koska laite pystytään valmistamaan verrattain pienikokoiseksi, jolloin se on helposti integroitavissa esimerkiksi liesivahtiin tai muuhun mittalaitteeseen.

Frään suoritusmuodon mukaan valonilmaisimen aktiivinen alue on pitkänomainen laservalon optisen akselin suunnassa, ja aktiivisen alueen leveys laser- valon optista akselia vastaan kohtisuorassa suunnassa on vähemmän kuin 4 millimetriä, edullisimmin vähemmän kuin 2 millimetriä.

Tästä on etua, koska laite pysty- tään valmistamaan verrattain pienikokoiseksi, jolloin se on helposti integroitavissa esimerkiksi liesivah- tiin tai muuhun mittalaitteeseen.

Erään suoritusmuodon mukaan laitteessa on piirilevy, johon valoansa ja valonilmaisin on kiinni- tetty ja johon on lisäksi kiinnitetty laitteen muita elektronisia komponentteja.

Mainitussa yhtenäisenä valmistetussa kappaleessa on sen piirilevyä vasten olevalla sivulla yksi tai useampia avoimia alueita, ja yksi tai useampia mainituista muista elektronisista komponenteista on sijoitettu piirilevylle siten, että ne ovat mainittujen yhden tai useamman avoimen alueen kohdalla sijoittuen valoansan väliseinien välille. > Tästä on etua laitteen koon pitämisessä pienenä, koska N sen osat ja komponentit voidaan pakata verrattain pie- 3 30 neen tilaan.

S Erään suoritusmuodon mukaan laserlähteessä on z laserdiodi ja optiikka, jotka on sijoitettu yhteiseen + koteloon.

Kotelo tukeutuu mekaanisesti mainittuun yh- & tenäisenä valmistettuun kappaleeseen.

Tästä on etua, 3 35 koska laserlähde voidaan hankkia alihankintakomponent- S tina ja liittää osaksi muuta laitetta helposti ja mit- tatarkasti.

Frään suoritusmuodon mukaan mainittu kotelo on muodoltaan lieriö, jolla on pituusakseli, ja mai- nittu laserlähde on järjestetty tuottamaan mainittu laservalo niin, että tuotetun laservalon optinen akse- li yhtyy mainitun lieriön pituusakseliin. Kotelo tu- keutuu mekaanisesti lieriömäiseen syvennykseen, joka on valoansan jatkeena suunnassa, joka on vastakkainen kohdealueen suuntaan nähden. Tästä on etua, koska la- serlähteen pidike voidaan valmistaa samalla keernalla, jota käytetään myös ainakin osan väliseinissä olevista aukoista muotoilemiseen.

Muita edullisia suoritusmuotoja on esitelty seuraavassa vyksityiskohtaisessa selostuksessa, jossa viitataan oheisiin kuviin.

KUVALUETTELO Kuva 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista laitetta ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi, kuva 2 esittää erään suoritusmuodon mukaista valoansaa, kuva 3 esittää erään toisen suoritusmuodon mukaista valoansaa, kuva 4 on tarkempi esitys kuvan 2 mukaisen valoansan rakenteesta, kuva 5 esittää erään suoritusmuodon mukaista o valoansaa ja sen valmistuksessa käytettäviä keernoja, o kuva 6 esittää erästä vaihtoehtoista valoan- N san väliseinässä olevan aukon muotoilua, 2 30 kuva 7 esittää erään suoritusmuodon mukaista © laitetta ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi, E kuva 8 esittää kuvan 7 mukaisen laitteen ko- LO koonpanon erästä ensimmäistä välivaihetta, S kuva 9 esittää kuvan 7 mukaisen laitteen ko- 2 35 koonpanon erästä toista välivaihetta, N kuva 10 esittää lasersäteen, kohdealueen ja valonilmaisimen muoto- ja mitoitusseikkoja,

kuva 11 esittää eräitä edullisia ratkaisuja ilmakanavan ja riittävän ilmavirtauksen muodostamisek- si, kuva 12 esittää eräitä edullisia ratkaisuja riittävän ilmavirtauksen muodostamiseksi, kuva 13 esittää erästä esimerkkiä valonilmai- simen ja vahvistimen kytkemisestä, kuva 14 esittää erästä esimerkkiä komponent- tien ja maatasorakennelman sijoittelusta piirilevyllä, kuva 15 esittää erään, ilman hiukkaspitoi- suutta mittaavan laitteen toiminnallista lohkokaaviota ja kuva 16 esittää erään suoritusmuodon mukaista ohjainpiiriä.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS Tässä tekstissä selostettavat ratkaisut so- veltuvat kaiken tyyppiseen ilmassa leijuvien hiukkas- ten mittaukseen, mutta ratkaisujen erityisistä piir- teistä on etua varsinkin silloin, kun halutaan mitata halkaisijaltaan alle noin 10 mikrometrin suuruisten hiukkasten pitoisuutta ”likaisissa” olosuhteissa. Li- kaisuudella tarkoitetaan tässä sitä, että mitattavassa ilmassa voi olla huomattavasti enemmän epäpuhtauksia kuten kaasuja, hiukkasia ja kosteutta kuin tavallises- o sa ulko- tai huoneilmassa. o Keksinnössä on ymmärretty, että halkaisijal- N taan alle noin 10 mikrometrin hiukkasten esiintymisen 2 30 ja mittaamisen kannalta merkittävää on hiukkaspopulaa- © tion käyttäytyminen oleellisesti kaasun tavoin. Toisin E sanoen hiukkaspopulaatiolla on taipumus diffundoitua LO ympäröivään ilmaan niin, että konsentraatioerot ta- S soittuvat itsestään ajan kuluessa. Esimerkiksi huo- 2 35 neessa tai muussa oleellisesti rajoitetussa tilassa N olevan ilman pienhiukkaspitoisuuden mittaamiseksi riittää siis mitata verrattain pieni ilmanäyte varsin-

kin, jos mitattavan hiukkaspitoisuuden voidaan olettaa muuttuvan mieluummin minuuttien kuin sekuntien aika- taulussa, tai jopa vieläkin hitaammin.

Tällä keskeisellä oivalluksella on useita seurauksia.

Ensinnäkin voidaan todeta, että hiukkas- mittauksen tekemiseksi riittää varsin pieni ilmavir- taus, jonka aikaansaamiseksi ei välttämättä tarvita lainkaan mekaanista puhallinta.

Toiseksi ilman ollessa ”likaista” sillä on taipumus liata myös mittalaitteen rakenteita, mikä ajan oloon huonontaa mittauksen luo- tettavuutta - mutta tätäkin haittaa on mahdollista vä- hentää merkittävästi pitämällä ilmavirtaus pienenä.

Kolmanneksi jos ilmavirtaus on pientä, se tuo mukanaan ilman likaisuudesta huolimatta melko vähän hiukkasia ajan funktiona, joten havaitsemistehokkuuden olisi ol- tava suuri eli mittausjärjestelyssä tulisi varmistaa, että mahdollisimman suuri osa virtauksen kuljettamista hiukkasista myös havaitaan luotettavasti.

Vielä eräs näkökohta on, että pienen ilmamäärän mittaamisen tuli- si edullisimmin olla mahdollista pienikokoisella lait- teella, jonka energian kulutus on niin pientä, että se on mahdollista saada toimimaan paristokäyttöisenäkin pitkiä aikoja.

Pienikokoisen laitteen huomaamatonta ja verrattain rajoituksetonta sijoittamista mittauksen kohteena olevassa huoneessa edesauttaa, mikäli sen ja muiden laitteiden välillä mahdollisesti tarvittavat tiedonsiirtoyhteydet voidaan toteuttaa langattomina. > Eräs hiukkasmittalaitteen kokoon keskeisesti N vaikuttava mitoitustekijä on laserlähteen ja kohdealu- 3 30 een välinen etäisyys.

Jotta se olisi mahdollista tehdä S pieneksi ilman, että laserlähteestä peräisin oleva ha- z javalo häiritsee mittausta, hajavaloa rajoittavan va- * loansan tulisi olla tehokas ja toimiva.

Seuraavassa & tarkastellaan ensiksi eräitä edullisiksi havaittuja 3 35 valoansan piirteitä.

S Kuva 2 esittää erästä valoansaa 201, joka voidaan tarvittaessa asentaa ilman hiukkaspitoisuutta mittaavassa laitteessa laserlähteen ja kohdealueen vä- lille. Valoansa tarkoitus on vähentää kohdealueelle kulkeutuvaa hajavaloa. Kuvassa 2 laserlähteen, jota käytetään laservalon tuottamiseksi ja suuntaamiseksi kohdealueelle, on ajateltu sijoittuvan taakse vasem- malle. Valonilmaisimen on ajateltu sijoittuvan eteen oikealle niin, että kohdealue on kuvassa 2 esitetyn kappaleen päässä näkyvän nelikulmaisen kaiteen 202 yläpuolella. Laservalon kulkusuuntaa (ja samalla sen optista akselia) kuvaa pistekatkoviiva 203.

Valoansassa 201 on laservalon kulkusuuntaan 203 nähden oleellisesti poikittaisia väliseiniä ja niistä kussakin aukko halutulla tavalla rajatun määrän laservaloa päästämiseksi kyseisen väliseinän läpi. Esimerkkeinä voidaan tässä tarkastella väliseiniä 204, 205 ja 206. Se, että väliseinä on oleellisesti poikit- tainen laservalon kulkusuuntaan 203 nähden, voidaan mieltää erityisesti kyseisessä väliseinässä olevan au- kon piirteeksi: aukon sisintä reunaa kuvaava suljettu käyrä kulkee tasossa, joka on oleellisesti poikittai- nen laservalon kulkusuuntaan 203 nähden. Valmistustek- nisesti voi olla edullista, että väliseinät kaikkiaan ovat levymäisiä, jolloin on helppo mieltää, miten ne ovat poikittain laservalon kulkusuuntaan 203 nähden. Suoritusmuodossa, jonka eräänä edustajana voidaan pitää kuvan 2 esittämää valoansaa, väliseinät 204, 205 ja 206 ovat osa samaa, yhtenäisenä valmistet- = tua kappaletta. Kyseinen kappale on voitu valmistaa N esimerkiksi ruiskupuristamalla, joka on edullinen ja 3 30 nopea menetelmä suurten kappalemäärien valmistamiseksi S mittatarkkuudella, joka on riittävä tässä käsiteltävän z laitteen kaltaisiin tarpeisiin. Muitakin mahdollisia > valmistusmenetelmiä on, kuten esimerkiksi 3D-tulostus & ja lastuava työstö. Yhtenäisenä valmistamisen eräs 3 35 seuraus on se, että kutakin väliseinissä olevista au- S koista rajaa koko aukon ympärysmitalta yhtenäinen osuus mainittua yhtenäisenä valmistettua kappaletta.

Fdellä kuvatun piirteen merkitystä voidaan tarkastella vertaamalla kuvan 2 mukaista valoansaa ku- van 3 esittämään toiseen suoritusmuotoon, jossa valo- ansaa 301 ei ole valmistettu yhtenäisenä kappaleena vaan se on valmistettu toisiinsa liitettävistä oikeas- ta ja vasemmasta puoliskosta.

Kuvan 3 suoritusmuodossa kussakin väliseinässä olevaa aukkoa rajaa kokoonpano- vaiheen jälkeenkin kaksi erillistä osuutta kahdesta, alun perin erillisenä valmistetusta kappaleesta, vaik- ka ne on kokoonpanovaiheessa painettu kiinni toisiin- sa.

Puoliskot voisivat olla myös ylä- ja alapuolisko, jolloin kutakin väliseinän aukkoa halkova sauma olisi vaakasuora.

Valmistusteknisesti on hyvin vaikeaa tai jopa mahdotonta saada kuvan 3 esittämä tai muu vähin- tään kahdesta osasta koostuva rakenne sellaiseksi, ettei pieni määrä hajavaloa pääsisi aina vuotamaan kahden osan välisestä saumasta väliseinän toiselle puolelle siinä kohdassa, jossa aukon reuna on terävim- millään.

Lisäksi mitä lähempänä varsinaista lasersä- dettä väliseinän aukon reuna on, sitä tärkeämpää on, että aukon reunan muodot ovat virheettömät eikä niissä ole ylimääräisiä purseita tai pykäliä.

Jos valoansa muodostuu kahdesta osasta kuvan 3 mukaisesti, lasersä- teen läpimenoaukot eivät käytännössä voi toteutua täy- sin pyöreinä, koska puoliskot eivät käytännössä voi istua toisiinsa täydellisesti.

Lieväkin muotovirhe ai- heuttaa aukon reunaan pykälän, joka on omiaan heijas- > tamaan ei-toivottua valoa eteenpäin kohti valonilmai- N sinta.

Tämä aiheuttaa myös kappalekohtaista suoritus- 3 30 kykyvaihtelua, joka suurentaa kalibrointitarvetta sekä S valmistusvaiheessa että mahdollisesti myöhemmälläkin Ek iällä. * Hajavalon rajoittamisen kannalta on edullista & muotoilla mainitut aukot nimenomaan niin, että kulla- 3 35 kin aukolla on mahdollisimman terävä sisin reuna; toi- S sin sanoen aukkoa ei määrittele mikään sellainen lie- riömäinen pinta, joka kulkisi edes osan matkaa suorana väliseinän läpi laservalon optisen akselin suunnassa. Syy on se, että tällainen aukkoa rajaava lieriömäinen pinta toimisi heijastimena, joka heijastaisi muussa kuin tarkasti optisen akselin suunnassa etenevää valoa eteenpäin. Jotta voitaisiin varmistaa, että valonil- maisin havaitsee vain kohdealueella laservaloa sirot- tavista hiukkasista, valoansan tulisi mahdollisimman tehokkaasti estää kaiken muun kuin optisen akselin suunnassa etenevän laservalon pääsy kohdealueelle ja sen ympäristöön.

Kuva 4 esittää tarkemmin eräitä esimerkin- omaisia piirteitä saman tyyppisessä valoansassa kuin kuvassa 2. Kuva 4 noudattaa teknisen piirtämisen käy- täntöä, jossa sama esine on kuvattu sivulta (keskel- lä), alta (ylhäällä), päältä (alhaalla), oikealta (va- semmalla) ja vasemmalta (oikealla). Laservalon kulku- suunta on esitetty pistekatkoviivalla 203. Kuvan 4 esittämässä valoansassa on laservalon kulkusuuntaan nähden oleellisesti poikittaiset väliseinät 204, 205 ja 206. Kussakin väliseinässä on aukko halutulla ta- valla rajatun määrän laservaloa päästämiseksi kyseisen väliseinän läpi. Kaikki väliseinät ovat osa samaa kap- paletta, joka on valmistettu yhtenäisenä. Eräänä seu- rauksena kutakin mainituista aukoista rajaa koko aukon ympärysmitalta yhtenäinen osuus mainittua yhtenäisenä valmistettua kappaletta.

Väliseinää 205 voidaan tässä nimittää ensim- > mäiseksi väliseinäksi ja väliseinää 206 toiseksi väli- N seinäksi. Termejä ”ensimmäinen” ja ”toinen” käytetään 3 30 tässä vain yksiselitteisen viittaamisen mahdollista- S miseksi. Kohdealue on sivulta esitettyyn valoansaan z nähden oikealla ja laserlähteen paikka vasemmalla, jo- * ten näitä nimityksiä käytettäessä ensimmäinen välisei- & nä 205 ja toinen väliseinä 206 sijaitsevat toisiinsa 3 35 nähden tässä järjestyksessä laserlähteestä kohdealuee- S seen päin.

Ensimmäisessä väliseinässä 205 oleva aukko 401 on laservalon optista akselia 203 pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen puo- lelta.

Toisin sanoen aukon 401 sisin, terävä reuna 402 on aukon 401 siinä osassa, joka on kohdealueen puolel- la.

Vastaavasti toisessa väliseinässä 206 oleva aukko 403 on laservalon optista akselia 203 pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi kohdealueen puolelta kuin laserlähteen puo- lelta.

Toisin sanoen aukon 403 sisin, terävä reuna 404 on aukon 403 siinä osassa, joka on laserlähteen puo- lella.

Kuvatun laisella aukkojen muotoilulla on haja- valon etenemisen kannalta edullinen vaikutus, koska ensimmäisessä väliseinässä 205 olevaa aukkoa 401 ra- jaava kartiomainen pinta pyrkii heijastamaan mahdol- lista hajavaloa takaisinpäin ja koska toisessa väli- seinässä 206 olevaa aukkoa 403 rajaava kartiomainen pinta tarjoaa etenevälle laservalolle mahdollisimman vähän mitään, mistä se voisi heijastua.

Valoansalla on edullisimmin myös kattopinta, joka rajaa sitä ylhäältä päin eli piirilevyyn nähden vastakkaiselta puolelta.

Eräitä mahdollisuuksia katto- pinnan toteuttamiseksi selostetaan tarkemmin jäljempä- nä.

Koska laite on pienikokoinen ja etäisyydet sen osien välillä pieniä, kattopinnalla voi olla merkitys- tä valoansan muotoilulle.

Viitenumerolla 405 on esi- > tetty alue, jonka valonilmaisin ”näkee” valoansan ka- N tossa.

Pisteviivoilla on havainnollistettu, miten tämä 3 30 alue määräytyy: kyseessä on se alue valoansa katossa, S josta on mahdollista piirtää suora viiva toisessa vä- z liseinässä 206 olevan aukon 403 kautta valonilmaisimen * aktiiviseen alueeseen.

Erityisesti tämä alue olisi & tärkeää pitää mahdollisimman pimeänä eli vapaana haja- 3 35 valosta, jotta valoa ei heijastuisi sieltä valonilmai- S simeen.

Tämän tavoitteen saavuttamisessa auttaa ensim-

mäisessä väliseinässä 205 olevan aukon 401 kartiomai-

nen muotoilu edellä kuvatulla tavalla, koska se on omiaan estämään hajavalon etenemistä kohti valoansan kattoa ensimmäisen 205 ja toisen väliseinän 206 välis- sä.

Aukkoja rajaavien kartiomaisten pintojen suuntaamisesta edellä kuvatulla tavalla on myös val- mistusteknistä etua, varsinkin jos valoansa valmiste- taan ruiskupuristamalla tai muulla sellaisella mene- telmällä, jossa käytetään suljettavaa muottia. Mainit- tua etua havainnollistaa kuva 5, jossa on esitetty sa- ma valoansa sivulta kuin kuvassa 4 ja sen yläpuolella kaksi keernaa 501 ja 502, jollaisia olisi mahdollista käyttää ruiskupuristusmuotin sisällä valoansan sisem- pien osien muotojen luomiseksi. Vasemmassa keernassa 501 on esimerkiksi kartiomainen osuus 503, joka ruis- kupuristettaessa muodostaa ensimmäisessä väliseinässä 205 olevan aukon 401 kartiomaisen sisäpinnan. Oikeassa keernassa 502 on esimerkiksi kartiomainen osuus 504, joka ruiskupuristettaessa muodostaa toisessa välisei- nässä 206 olevan aukon 403 kartiomaisen sisäpinnan. Kuvassa 5 esitetyt nuolet näyttävät, miten keernoja 501 ja 502 painetaan toisiaan kohti ruiskupuristus- muotin sulkemisvaiheessa niin, että keernojen %päät painuvat toisiaan vasten katkoviivan 505 tasalla. Kar- tiomaisten pintojen suunnat ja väliseinissä olevien aukkojen muukin mitoitus on valittu siten, että keer- nat 501 ja 502 voidaan helposti vetää pois siinä vai- = heessa, kun ruiskupuristusmuottia avataan. N On huomattava, että termi ”kartiomainen” ei 3 30 välttämättä tarkoita suoraa ympyräkartiota eikä termiä S muutenkaan käytetä tässä yhteydessä sen matemaattisen z tarkassa mielessä, vaan sillä tarkoitetaan, että aukko * on väliseinän yhden pinnan tasalla suurempi kuin toi- & sen. Matemaattisen määritelmän mukaan kartio on pinta, 3 35 jonka puolisuora piirtää liikkuessaan pitkin tasossa S olevaa suljettua ja itseään leikkaamatonta käyrää niin, että puolisuoran päätepiste pysyy paikallaan.

Väliseinissä olevia aukkoja rajaavat pinnat ovat lä- hinnä katkaistun kartion muotoisia, eikä niiden reuna- viivojen tarvitse olla ympyröitä eikä reunaviivasta toiseen piirretyn kuvitteellisen viivan tarvitse olla suora.

Kuvassa 6 on esitetty yksityiskohtana eräs vaihtoehtoinen muotoilu, jossa toisessa väliseinässä 206 olevaa aukkoa 403 rajaava kartiopinta koostuu ym- pyräkartion muotoisesta osuudesta 601 ja sitä leikkaa- vasta tasomaisesta osuudesta 602. Tasomainen osuus 602 on aukon sillä sivulla, joka on lähinnä toisen väli- seinän 206 viereen tulevaa valonilmaisinta (ei esitet- ty kuvassa). Vaikka tasomainen osuus voi tällöin hei- jastaa jonkin verran hajavaloa myös toisen väliseinän 206 sille puolelle, jolla valonilmaisin on, heijastuk- set suuntautuvat yläviistoon eli poispäin valonilmai- simesta, eikä niistä ole haittaa.

Valoansassa olevien väliseinien lukumäärällä on merkitystä.

Mitä suurempi määrä väliseiniä, sitä enemmän hajavalolla on tiellään esteitä ja sen tehok- kaammin on mahdollista estää hajavalon kulkeutuminen kohdealueelle.

Toisaalta mitä suurempi määrä välisei- niä, sitä monimutkaisempi ja kalliimpi valoansa on valmistaa.

Kuvien 2-5 esittämissä suoritusmuodoissa valoansassa on kolme väliseinää: edellä nimettyjen en- simmäisen väliseinän 205 ja toisen väliseinän 206 li- säksi on kolmas väliseinä 204, joka on laserlähteen ja ensimmäisen väliseinän 205 välillä ja jossa oleva auk- > ko 406 on laservalon optista akselia 203 pitkin ote- N tulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se 3 30 on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen S puolelta.

Koska laserlähteen on kuvien 2-5 esittämissä Ek suoritusmuodoissa tarkoitus tulla aivan kiinni kolman- * teen väliseinään 204 ja koska laserlähteessä itsessään & voi olla aivan lähintä hajavaloa vähentäviä rakentei- 3 35 ta, kolmatta väliseinää 206 ei välttämättä tarvita.

S Toisaalta kuvissa 2-5 esitetyn kaltainen kolmas väli-

seinä voi olla hyödyllinen jopa vain siinä mielessä,

että se määrää tarkasti paikan, johon laserlähteen pää sijoittuu valoansaan nähden.

On muutenkin edullista, jos valoansa on muo- toiltu niin, että se määrää tarkasti, miten laserlähde sijoittuu niin valoansassa oleviin, hajavalon etene- mistä estäviin rakenteisiin kuin kohdealueeseenkin nähden.

Tarkalla sijoittumisella voidaan varmistaa, että sarjatuotannossa valmistetut laitteet antavat tarkasti samanlaisia ilmanlaadun mittaustuloksia ja välttävät virheitä, jotka voisivat aiheutua puhtaasti mekaanisista eroista eri laiteyksilöiden välillä.

Laserlahteen tarkkaa sijoittumista silmällä pitäen kuvien 2-5 mukaisissa valoansoissa esitetty, yhtenäisenä valmistettu kappale muodostaa pidikkeen laserlähteelle.

Tässä oletetaan, että laserlähteessä on laserdiodi ja optiikka, jotka on sijoitettu yhtei- seen, edullisesti lieriömäiseen koteloon.

Kuvien 2-5 esittämissä suoritusmuodoissa pidike alkaa kolmannen väliseinän 204 tasalta ja jatkuu siitä lieriömäisenä, kuvissa esitettyyn asentoon nähden vaakasuorana syven- nyksenä 407 poispäin kohdealueesta.

Tällainen vaaka- suora lieriömäinen syvennys voidaan valmistaa esimer- kiksi muodostamalla kuvan 5 mukaisen vasemman keernan 501 asianmukaiseen kohtaan lieriömäinen osuus 506. Keernan avulla muodostettua lieriömäistä syvennystä 407 sivuilla rajaavat reunat 408 on edullista ulottaa jonkin verran korkeammiksi kuin lieriömäisen syvennyk- 2 sen keskiakselin tasalle, koska tällä tavalla niistä N syntyy luonnolliset pidikekynnet, jotka estävät pai- 3 30 kalleen asennettua laserlähdettä liikkumasta paikal- S taan pystysuunnassa. z Fdelleen laitteen osien tarkkaa keskinäistä * sijoittumista silmällä pitäen kuvien 4 ja 5 mukaisessa & valoansassa on kiinniketapit 409, joiden välityksellä 3 35 se voidaan kiinnittää tasaisessa alustassa, esimerkik- S si piirilevyssä, oleviin syvennyksiin tai reikiin.

Jos alustana on piirilevy, se voi olla sama piirilevy,

jolle laitteeseen sisältyvä valonilmaisin on asennet- tu.

Piirilevyt valmistetaan ja komponentit niille 1la- dotaan tyypillisesti robottityönä, jolloin piirilevyyn tehtävien reikien - ja näin ollen myös niihin kiinni- tettävän valoansa-laserlähde-yhdistelmän —-— sijainti suhteessa piirilevylle ladottuun valonilmaisimeen py-

syy hyvin tarkasti samana laiteyksilöstä toiseen.

Edellä kuvatut valoansan rakenteen periaat- teet auttavat omalta osaltaan siinä, että tässä selos- tuksessa tarkoitettu laite ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi on mahdollista tehdä verrattain pieniko- koiseksi.

Eräänä esimerkkinä voidaan olettaa, että la- serlähteen lieriömäinen kotelo on halkaisijaltaan 3-6 millimetriä, edullisesti 4 millimetriä, ja pituudel- taan 6-15 millimetriä, edullisesti 10 millimetriä.

Ko- telon jatkeena voi laservaloa tuottavaan päähän nähden vastakkaisessa päässä olla piirilevyosuuksia, liitti- miä tai muita osia.

Valoansassa lieriömäinen syvennys 407, johon laserlähde asennetaan, vastaa halkaisijal- taan laserlähteen lieriömäisen kotelon halkaisijaa ja sen pituus voi olla 5-10 millimetriä, edullisesti 8 millimetriä.

Kukin väliseinä 204, 205, 206 voi olla paksuudeltaan 0,5-2 millimetriä, edullisesti 1 tai 1,5 millimetriä.

Valonilmaisimen puoleisin, edellä käyte- tyin termein toinen väliseinä 206 voi olla paksumpi kuin muut väliseinät, esimerkiksi niin että muiden vä- liseinien 204 ja 205 paksuus on 1 millimetri ja toisen > väliseinän 206 paksuus on 1,5 millimetriä.

Ruiskupu- N ristuksella valmistettavassa valoansassa väliseinät 3 30 voivat ohentua hiukan siihen suuntaan, johon ruiskupu- S ristusmuottia avattaessa liikkuu se muotin osa, joka z muodostaa väliseinien tasomaiset pinnat.

Väliseinien * väliset etäisyydet pinnasta pintaan mitattuna voivat & olla 2-6 millimetriä, esimerkiksi niin, että ensimmäi- 3 35 sen 205 ja toisen 206 väliseinän välinen etäisyys on S välillä 4-5 millimetriä ja kolmannen 204 ja ensimmäi-

sen 204 väliseinän välinen etäisyys on 3-4 millimet- riä.

Väliseinissä olevien aukkojen mitoitus riip- puu siitä, kuinka paksu on laserlähteen tuottama la- sersäde ja miten se halutaan suunnata kohdealueelle.

Fräänä esimerkkinä ensimmäisessä väliseinässä 205 ole- va aukko 401 on reunan 402 kohdalla pienimmältä hal- kaisijaltaan 1,5-2 millimetriä ja sitä rajaavan kar- tiomaisen pinnan sivun kulma laservalon kulkusuuntaan 203 nähden on 25 astetta.

Eräänä toisena esimerkkinä toisessa väliseinässä 206 oleva aukko 403 on reunan 404 kohdalla pienimmältä halkaisijaltaan 1,5-2 milli- metriä ja sitä rajaavan kartiomaisen pinnan sivun kul- ma laservalon kulkusuuntaan 203 nähden on 20 astetta.

Jos aukkoa 403 rajaavassa kartiopinnassa on osaksi ta- somainen osuus niin kuin kuvassa 6, tasomaisen osuuden kulma laservalon kulkusuuntaan 203 nähden voi olla pienempi, esimerkiksi 2 astetta.

Eräänä kolmantena esimerkkinä kolmannessa väliseinässä 204 oleva aukko on pienimmältä halkaisijaltaan 2,5-3 millimetriä ja sitä rajaavan kartiomaisen pinnan sivun kulma laserva- lon kulkusuuntaan 203 nähden on 2 astetta.

Kuva 7 esittää vyksikertaisen räjäytyskuvan muodossa eräitä osia erään suoritusmuodon mukaisesta laitteesta hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi.

Laittees- sa on laserlähde 701 laservalon tuottamiseksi ja suun- taamiseksi kohdealueelle.

Laserlähteessä 701 on laser- = diodi ja optiikka, jotka on sijoitettu yhteiseen kote- N loon 702. Kotelo 702 on tässä suoritusmuodossa lie- 3 30 riömäinen, ja lasersäde tulee ulos kotelon 702 yhdessä S päässä olevan pyöreän aukon 703 kautta.

Tuotetun la- Ek servalon optinen akseli yhtyy lieriömäisen kotelon 702 a pituusakseliin.

Käyttöjännitteen syöttö laserdiodille & tapahtuu kotelon 702 vastakkaisessa päässä näkyvien 3 35 —johdinten 704 kautta.

S Laserlahteen 701 kotelo 702 tukeutuu mekaani- sesti valoansaan 201, joka on yhtenäisenä valmistettu kappale. Katkoviivat osoittavat, miten laserlähde 701 voidaan liu'uttaa pituussuunnassa paikalleen lieriö- mäiseen syvennykseen, joka on valoansan 201 jatkeena suunnassa, joka on vastakkainen kohdealueen suuntaan nähden. Laserlähteen 701 tarkka pituussuuntainen paik- ka pidikkeessään määräytyy siitä, että sitä liu'/utetaan pituussuunnassaan niin pitkälle, että sen pää koskettaa valoansassa 201 olevaa kolmatta välisei- nää 204.

Laitteessa on kohdealueen viereen sijoitettu valonilmaisin 704 sellaisten valosykäysten havaitse- miseksi, jotka syntyvät ilmavirtauksen kuljettamien hiukkasten sirottaessa laservaloa kohdealueella. Lait- teessa on piirilevy 705, johon valoansa 201 ja va- lonilmaisin 704 kiinnitetään ja johon voidaan lisäksi kiinnittää laitteen muita elektronisia komponentteja

706. Piirilevy 705 toimii tavalliseen tapaan kompo- nenttien mekaanisena tukirakenteena, ja sen pinnalla tai pinnoilla (ja monikerrospiirilevyn tapauksessa myös välikerroksissa) voidaan tehdä komponenttien edellyttämät sähköiset kytkennät niin ikään tavalli- seen tapaan.

Kuvassa 7 on esitetty eräs edullinen piirre, jota voidaan hyödyntää, mikäli valoansan 201 muodosta- vassa yhtenäisenä valmistetussa kappaleessa on sen piirilevyä 705 vasten olevalla sivulla yksi tai useam- pia avoimia alueita. Tällöin yksi tai useampia lait- > teen muista elektronisista komponenteista 706 voi si- N jaita piirilevyllä 705 siten, että ne ovat näiden 3 30 avointen alueiden kohdalla, sijoittuen valoansassa 201 S olevien väliseinien välille. Näin säästetään piirile- z vytilaa, koska komponentteja voidaan sijoittaa myös * piirilevyn niille alueille, jotka kokoonpannussa ra- & kenteessa jäävät valoansan 201 alle. Tällä tavoin kan- 3 35 nattaa sijoittaa erityisesti väriltään mustia kom- S ponentteja, koska ne toimivat tällöin osaltaan osana valoansaa absorboimalla hajavaloa. Avointen alueiden lisäksi tai asemesta valoansan piirilevyä vasten ole- valla sivulla voi olla syvennyksiä, jotka ovat riittä- vän tilavia niin, että alle jäävät komponentit mahtu- vat olemaan paikallaan.

Laitteessa on ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman ohjaamiseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi. Kuva 8 esittää kokoonpanon välivaihetta, jossa laserlähde 701 on kiinnitetty valoansaan 201 ja näiden muodostama kokonaisuus on kiinnitetty piirilevyyn 705.

Ilmakanavan muodostamiseksi tämä kokonaisuus liitetään kuoriosaan 801, jonka eräs ontto osuus 802 osaltaan rajaa ilmakanavaa. Ilmakanavan siinä osassa, joka on lasersäteen optisen akselin jatkeella kohdealueen jäl- keen, on hyvä olla lasersäteen poistumisaukko 803. 9 esittää kokoonpanon seuraavaa vaihetta, jossa kuoriosa 801 on paikallaan peittäen laserlähteen, valoansan ja valonilmaisimen näkyvistä.

Kuoriosa 801 voi olla pelkästään ilmakanavan rajaamisen tarkoitusta varten muodostettu osa, tai sillä voi olla muita tehtäviä. Kuvien 7-9 esittämässä suoritusmuodossa esitetään esimerkkinä muusta tehtä- västä se, että kuoriosaan 801 kuuluva niin sanottu katto-osuus 804 painuu valoansan 201 päälle ja sulkee valoansan väliseinien väliin jäävät osastot ylhäältä päin. Saumasta, joka tällöin jää valoansassa 201 ole- van väliseinän ja kuoriosan 801 katto-osuuden 804 vä- liin, ei ole samanlaista haittaa kuin niistä saumois- = ta, jotka halkaisevat kunkin väliseinän kuvan 3 esit- N tämässä kaksiosaisessa valoansassa. Tämä johtuu siitä, 3 30 että kuvan 8 rakenteessa saumat jäävät kauas niiltä S alueilta, joilla laservalo on kirkkaimmillaan. Saumo- z jen valonpitävyyttä voidaan tarvittaessa parantaa * käyttämällä osissa toisiinsa lukkiutuvia vastinmuotoi- & luja.

3 35 Kuoriosa 801 voi olla myös osa laitteen S yleistä kotelointia niin, että laitteen ulkokuoren eräs osuus toimii kuoriosana 801 tai ainakin osana kuoriosaa.

Ilmakanava on edullista muotoilla niin, että sen sisään ei jää sellaisia, piirilevylle 705 asennet- tuja komponentteja, joiden ei haluta altistuvan mitat- tavan ilman mukana kulkeville epäpuhtauksille kuten rasvalle ja/tai kosteudelle. Kuvassa 8 on esitetty viivoitettuna piirilevyn 705 ne kohdat, joita vasten kuoriosan 801 onton osuuden 802 reunat painuvat ja joiden ulkopuolelle jäävät komponentit ovat näin ollen suojassa ilman epäpuhtauksilta. Varjostettujen kohtien väliin jäävä osuus piirilevyn 705 pinnasta rajaa osal- taan ilmakanavaa, niin kuin tekee myös valoansan 201 pääty valonilmaisimen puoleisessa päässä. Ilmakanavan muotoilusta riippuen muutkin valoansan 201 rakenteet voivat osaltaan rajata ilmakanavaa.

Kuva 10 esittää erästä esimerkkiä laservalon käyttäytymisestä kohdealueella. Kuvassa on esitetty valonilmaisin 704 ja lasersäde 1001, jonka etenemis- suunta on kuvassa edestä vasemmalta taakse oikealle. Valonilmaisimen 704 aktiivinen alue on kuvassa esite- tyn suorakulmaisen särmiön yläpinta.

Lasersäde 1001 on fokusoitu. Toisin sanoen tässä oletetaan, että laserlähteen optiikka sisältää ainakin yhden kuperan linssin, jonka luonteen mukai- sesti optiikka muodostaa lasersäteelle 1001 polttopis- teen etäisyydelle f laserlähteestä. Polttopiste ei 2 edullisesti ole täysin pistemäinen, vaan fokusoidun N lasersäteen halkaisija d polttopisteessä valitaan 3 30 edullisimmin niin, että se on välillä 0,2-0,5 milli- S metriä. Polttopisteen lähellä lasersäde on siis tiima- Ek laisin muotoinen niin, että tiimalasin kapein kohta on * etäisyydellä f laserlähteestä ja sen leveys on d. & Polttovälin £ suuruus eli etäisyys laserlähteestä koh- 3 35 dealueen keskipisteeseen on 10-20 millimetriä, edulli- S sesti 14 millimetriä.

Lasersäteeseen osuva hiukkanen sirottaa la- servaloa oleellisesti kaikkiin suuntiin. Valosykäysten havaitsemisen kannalta kohdealueelle ei ole tarpeen määritellä tarkkaa pituutta lasersäteen suunnassa: kohdealueeseen kuuluu koko se kolmiulotteinen tila- vuus, jonka lasersäde 1001 täyttää kulkiessaan ilmaka- navan läpi. Tehokkaimmillaan valosykäysten havaitsemi- nen on kuitenkin siinä osuudessa tätä tilavuutta, joka on kohtisuoraan valonilmaisimen 704 yläpuolella, koska tästä osuudesta matka valonilmaisimeen on lyhyin ja avaruuskulma, johon etenevä valo osuu valonilmai- simeen, on suurin. Kuvassa 10 tämän osuuden sijoittu- mista lasersäteen pituussuunnassa on havainnollistettu viivoitetuilla pääteympyröillä.

Valonilmaisin 704 on edullista sijoittaa niin, että sen aktiivisen alueen keskikohta on kohti- suoraan lasersäteen 1001 polttopisteen alapuolella (X=X kuvassa 10) ja kohtisuora etäisyys on mahdolli- simman pieni. Viittaukset ylä- ja alapuoleen on tässä ymmärrettävä vain viittauksina suuntiin kuvassa 10. Oleellisesti sama asia voidaan esittää sanoen, että lyhin etäisyys lasersäteen 1001 polttopisteen ja va- lonilmaisimen 704 aktiivisen alueen keskipisteen vä- lillä kannattaa tehdä mahdollisimman pieneksi. Tällöin se avaruuskulma, jonka valonilmaisimen 704 aktiivinen alue peittää lasersäteen 1001 polttopisteestä katsot- tuna, on mahdollisimman suuri.

> Valonilmaisimen 704 aktiivinen alue on edul- N lisesti pitkänomainen laservalon optisen akselin suun- 3 30 nassa (2X > Y kuvassa 10). Tämä piirre on edullinen S siksi, että kohdealue itsessään on pitkänomainen: pit- Ek känomaisella valonilmaisimen aktiivisella alueella * saavutetaan hyvä kompromissi piirilevytilan säästämi- & sen ja valosykäysten havaitsemistehokkuuden välillä. 3 35 Aktiivisen alueen leveys Y laservalon optista akselia S vastaan kohtisuorassa suunnassa voi olla vähemmän kuin

4 millimetriä, edullisimmin vähemmän kuin 2 millimet- riä.

Kuva 11 esittää osia erään suoritusmuodon mu- kaisesta laitteesta ilman hiukkaspitoisuuden mittaa- miseksi. Kokoonpanovaiheeltaan kuvan 11 esittämä laite vastaa kuvaa 8 edellä niin, että kuoriosaa ei ole esi- tetty kuvassa 11. laitteessa on laserlähde 701 laser- valon tuottamiseksi ja suuntaamiseksi kohdealueelle ja ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman ohjaa- miseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi. Ilmakanava muodostuu kuvan 11 suoritusmuodossa samaan tapaan kuin kuvassa 8 eli siten, että kuvassa 11 esitetty koko- naisuus kiinnitetään kuoriosaan (ei esitetty kuvassa), jolloin kuoriosan erään osuuden reunat painuvat piiri- levyä 705 vasten katkoviivojen osoittamissa kohdissa. Ilmakanavan alku- ja loppupäät on esitetty viivoitet- tuina suorakulmioina. laitteessa on myös kohdealueen viereen sijoitettu valonilmaisin 704 sellaisten va- losykäysten havaitsemiseksi, jotka syntyvät ilmavir- tauksen kuljettamien hiukkasten sirottaessa laservaloa kohdealueella.

Kuvan 11 suoritusmuodon mukaisessa laitteessa on lisäksi muu elektroninen komponentti 1101, jonka ominaispiirteisiin kuuluu, että se on toimiakseen saa- tettava ympäristön lämpötilasta poikkeavaan lämpöti- laan. Kuvan 11 mukaisesti kyseinen elektroninen kompo- nentti 1101 on sijoitettuna laitteen ilmakanavaan > (s.o. piirilevylle 705 katkoviivojen rajaamalle alu- N eelle) ilmavirtauksen aikaansaamiseksi konvektiivises- 3 30 ti. S Se, että elektroninen komponentti 1101 on z toimiakseen saatettava ympäristön lämpötilasta poik- > keavaan lämpötilaan, ei tarkoita, että se normaalin & toimintansa sivutuotteena tai seurauksena saavuttaisi 3 35 — ympäristön lämpötilasta poikkeavan lämpötilan. Kysei- S nen määritelmä ei siis tarkoita esimerkiksi pelkkää vastusta, joka lämpenee sähkövirran kulkiessa sen lä-

pi, koska vastus toimii aivan normaalisti vastuksena jo ennen lämpenemistään. Kyseessä on komponentti, joka on saatettava ympäristön lämpötilasta poikkeavaan läm- pötilaan ennen kuin se alkaa toimia tarkoitetulla ta- valla. Eräs esimerkki tällaisesta komponentista on me- tallioksidikaasuilmaisin, joka on toimiakseen kuumen- nettava merkittävästi ympäristön lämpötilaa kuumemmak- si, edullisesti 300 celsiusasteeseen. Toinen esimer- kinomainen komponentti, joka on toimiakseen saatettava ympäristön lämpötilasta poikkeavaan lämpötilaan, on sellainen PIN-diodi tai muu puolijohteesta valmistettu säteilynilmaisin, joka on jäähdytettävä ympäristön lämpötilaa kylmemmäksi riittävän signaali/kohina- suhteen saavuttamiseksi.

Valonilmaisin 704 ja edellä mainittu muu kom- ponentti 1101 on asennettu piirilevyn 705 samalle pin- nalle, joka piirilevyn 705 pinta myös osaltaan rajaa ilmakanavaa. Tämä yksinkertaistaa rakennetta, koska ilmakanavan rajaamiseksi ei tarvita niin paljon muita rakenneosia tai monimutkaisia muotoiluja kuin jos se muodostuisi kokonaan esimerkiksi laitteen kuoriosasta tai -osista. Jotta konvektiivinen virtaus valonilmai- simen 704 kohdalla olisi mahdollisimman tehokasta, va- lonilmaisin 704 ja muu komponentti 1101 on edullista sijoittaa melko lähelle toisiaan. Niiden välimatka il- makanavan suunnassa mitattuna voi olla esimerkiksi al- le 20 millimetriä, tai jopa alle 10 millimetriä.

> Konvektiivisen virtauksen aikaansaamiseksi on N merkitystä myös sillä, miten ilmakanava suuntautuu 3 30 paikalliseen pystysuoraan suuntaan nähden. Jos olete- S taan, että konvektiivisen virtauksen aikaansaava muu z komponentti on lämmitettävä komponentti kuten metal- > lioksidikaasuilmaisin, sen on tarkoitus saada aikaan & alhaalta ylöspäin suuntautuva ilmavirtaus. Tämän tyyp- 3 35 pistä esimerkkiä havainnollistaa kuva 12, joka on yk- S sinkertaistettu poikkileikkaus erään suoritusmuodon mukaisesta laitteesta ilman hiukkaspitoisuuden mittaa- miseksi.

Kuvan 12 mukaisessa laitteessa on ulkokuori 1201, jonka muotoilu on järjestetty määräämään lait- teen tarkoitettu asento asennettuna.

Kuvassa 12 tämä on tehty niin, että ulkokuoressa 1201 on kaksi tasais- ta ja aukotonta pintaa (yläpinta ja vasen sivupinta), jotka asennettuna tulevat vasten kahta jotakin kiinte- ää vaaka- ja pystysuoraa pintaa.

Tämän lisäksi tai asemesta ulkokuoressa voi olla esimerkiksi fruuvin- reikiä tai muita sellaisia muotoiluja, jotka käytän- nössä määräävät, missä asennossa paikalliseen pysty- suoraan nähden laitteen on tarkoitus olla, kun se on asennettu normaalin tarkoituksen mukaista käyttöä var- ten.

Jos laite on esimerkiksi liesivahti, asennuspai- kan ja -asennon on oltava sellaiset, että laitteeseen sisältyvän optisen ilmaisimen 1202 näkökenttä suuntau- tuu lieden alueelle.

Ulkokuoressa 1201 on ilmakanavan sisäänmeno- aukko 1203 ja ulostuloaukko 1204. Ilmakanava on kuvas- sa 12 esitetty vain kaavamaisesti viivoitettuna vyö- hykkeenä, jonka sisään jäävät valonilmaisin 704 ja edellä selostettu muu komponentti 1101, joka on toimi- akseen saatettava ympäristön lämpötilasta poikkeavaan lämpötilaan.

Ilmakanavassa, valonilmaisimen 704 vie- ressä on myös laservalon kohdealue, joka sijoittuu va- loansan 201 näkyvästä päästä kohti katsojaa.

Ilmakana- > vaa voivat osaltaan rajata piirilevyn 705 pinta sekä N jokin sellainen ulkokuoren 1201 osa, joka toimii edel- 3 30 lä kuvissa 7-9 kuvatun kaltaisena kuoriosana.

S Laitteen tarkoitetussa asennossa ulostuloauk- Ek ko 1204 on paikalliseen pystysuoraan suuntaan nähden * ylempänä kuin sisäänmenoaukko 1203. Ilmakanavan suunta & voidaan saada aikaan sisäänmenoaukon 1203 ja ulostulo- 3 35 aukon 1204 sijoittelulla, mutta osaltaan myös piirile- S vyn 705 asennolla ulkokuoren 1201 sisällä.

Kuvan 12 suoritusmuodossa viistosti sijoitetun piirilevyn 705 yläpuolelle sijoitetaan paristo tai akku 1205 tai muu sisäinen DC-jännitelähde laitteen tarvitseman käyttö- jännitteen tuottamiseksi. Sisäänmenoaukko 1203, ulostuloaukko 1204 tai molemmat voivat olla samalla toiminnallisia aukkoja laitteen sisältämän jonkin muun osan toimintaa varten. Tämä tarkoittaa, että kyseisen aukon ainoa tarkoitus ei ole ohjata mittauksen kohteena olevaa ilmaa ilmaka- navaan tai sieltä pois, vaan aukolla on toinenkin tar- koitus, johon liittyy laitteen jokin muu osa, joka ei suoraan osallistu ilman hiukkaspitoisuuden mittaami- seen. Tällainen muu laite voi olla esimerkiksi optinen ilmaisin, jolloin kyseisen aukon toinen tarkoitus voi olla optisen ilmaisimen näkökentän suuntaaminen ja/tai rajaaminen. Muu laite voi olla myös esimerkiksi kaiutin tai mikrofoni, jolloin kyseisen aukon toinen tarkoitus voi olla äänen esteettömän kulun salliminen. Vielä eräs esimerkki muusta laitteesta on käyttäjän käytettäväksi tarkoitettu kytkin, jolloin kyseisen au- kon toinen tarkoitus on sallia sellaisen liikkuvan osan liikkuminen, joka muodostaa ainakin osan kysei- sestä kytkimestä.

Kuvassa 11 on esitetty lisäksi se edullinen piirre, että ilmakanava muodostaa mutkia valonilmaisi- men 704 kummallakin puolella laitteen ulkopuolelta va- lonilmaisimelle pääsevän hajavalon vähentämiseksi. Ku- van 11 suoritusmuodossa mutkat sijaitsevat symmetri- > sesti valonilmaisimen 704 kummallakin puolella siten, N että ilmakanava kääntyy 90 astetta kohti laserlähdettä 3 30 välittömästi valonilmaisimen 704 vieressä ja uudelleen S 90 astetta laserlähteen tasalla, mutta tämä ei ole mi- Ek tenkään välttämätöntä, vaan ilmakanavan mutkat voidaan * suunnitella sellaisella tavalla, joka parhaiten yhdis- & tää niiden tarkoituksen ja laitteen osien valmistami- 3 35 sen helppouden. Hajavalon lisäksi ilmakanavan aukkojen S ja mutkien suunnittelulla voidaan vähentää satunnais- ten, laitteen ulkopuolella esiintyvien ilmanliikkeiden vaikutusta mittaukseen, koska käyttäjän hengitys tai muu satunnainen ilmanliike ei pääse suoraan vaikutta- maan ilman virtaukseen kohdealueella. Eräänä lisäpiirteenä kuvassa 11 on esitetty ilmakanavassa sijaitseva heijastava seinämä 1102, jon- ka tarkoitus on sama kuin mutkien eli ulkoa kantautu- van hajavalon ja/tai satunnaisten ilmanvirtausten vai- kutuksen vähentäminen kohdealueella. Piirilevylle, ko- telo-osiin ja/tai muuhun sopivaan rakenneosaan voidaan myös muodostaa yksi tai useampia poistuvan lasersäteen heijastimia 1103, jonka tai joiden tehtävä on heijas- taa kohdealueen läpi tullut laservalo johonkin sellai- seen suuntaan, josta sen myöhemmät heijastukset ja si- ronnat eivät helposti löydä tietään takaisin päin koh- ti valonilmaisinta. Heijastimen 1103 on edullista si- jaita niin etäällä ilmakanavassa olevasta lasersäteen poistumisaukosta (ks. viitenumero 803 kuvassa 8), että heijastimen pinnasta ei ole mahdollista piirtää laser- säteen poistumisaukon läpi suoraa viivaa, joka osuisi valonilmaisimeen. Tämä varmistaa, että heijastimesta 1103 itsestään hajaheijastuva laservalo ei aiheuta häiriöitä hiukkasmittaukseen.

Myös valoansan rakenteet voivat osaltaan ra- jata ilmakanavaa ja estää ulkopuolisen hajavalon kul- keutumista valonilmaisimelle. Esimerkkinä tästä on suorakulmion muotoinen kaide 202, joka nähdään kuvissa 2-5, 7-8 ja 11 osana valoansan sitä päätä, joka on = kohdealueeseen päin ja joka muodostaa valonilmaisimen N aktiivista aluetta ympäröivän reunan. Kaiteen 202 an- 3 30 siosta valonilmaisin on ikään kuin kuopassa, jolloin S mahdollinen ilmakanavaa pitkin etenevä hajavalo ei osu Ek siihen kovin helposti. Samalla kaide 202 voi vähentää * valonilmaisimen likaantumista ja parantaa hiukkasten & havaitsemisen tehokkuutta, koska se yhtäältä ohjaa il- 3 35 mavirtauksen paikallisesti hiukan korkeammalta va- S lonilmaisimen ohi ja toisaalta madaltaa ilmakanavaa paikallisesti keskittäen ilmavirtausta lasersäteeseen kohdealueella. Kuva 13 on yksinkertaistettu kytkentäkaavio, joka esittää erästä sinänsä tunnettua tapaa valonil- maisimen käyttämiseksi valosykäysten havaitsemiseksi. Kuvan 13 kytkennässä valonilmaisin on fotodiodi 1301, joka on biasoitu estosuuntaan. Biasjännite on peräisin jännitelähteestä 1302 ja sen tasoa voidaan muuttaa ja/tai reguloida regulaattorilla 1303. Fotodiodin 1301 katodin ja biasjännitteen positiivisen navan välillä on etuvastus 1304. Fotodiodin 1301 katodi on kytketty differentiaalivahvistimen 1305 invertoivaan tuloon. Differentiaalivahvistimen 1305 ei-invertoivaan tuloon on kytketty vertailupotentiaali, joka tuotetaan biasjännitteestä cpotentiometrillä 1306. Kun foto- diodiin 1301 ei osu valoa, sen läpi ei kulje virtaa ja differentiaalivahvistimen 1305 invertoivan tulon po- tentiaali on oleellisesti sama kuin biasjännitteen po- sitiivisen navan potentiaali. Kun fotodiodiin 1301 osuu valoa, sen läpi alkaa kulkea virtaa, mikä havai- taan potentiaalin laskuna differentiaalivahvistimen 1305 invertoivassa tulossa. Jos invertoivan tulon po- tentiaali laskee alemmas kuin vertailupotentiaali, differentiaalivahvistimen 1305 lähtö tuottaa positii- visen signaalin. Sen kestosta ja muodosta on mahdol- lista päätellä, kuinka suuri määrä valoa fotodiodiin 1301 osui ja kuinka pitkään tämä valo oli havaittavis- > sa.

N Hiukkasmittalaitteeseen sovellettuna edellä 3 30 selostettu toimintaperiaate tarkoittaa, että vahvisti- S men tuottamien lähtöpulssien määrästä aikayksikössä z voidaan laskea ilman hiukkaspitoisuus. Lisäksi yksit- * täisen pulssin muodosta ja kestosta on mahdollista & tehdä päätelmiä sen hiukkasen koosta ja muodosta, joka 3 35 aiheuttamasta valosykäyksestä pulssi syntyi. Järjeste- S lyssä voi olla useita samaan valonilmaisimeen kytket- tyjä vahvistimia, joista kullekin muodostetaan oma vertailupotentiaalinsa.

Tällä tavalla eri vahvistimet voidaan virittää havaitsemaan erikokoisia hiukkasia, jolloin niiden tuottamien lähtöpulssien suhteelliset määrät kertovat erikokoisten hiukkasten jakauman tut- kitussa ilmassa.

Kuvassa 13 esitetyn esimerkin lisäksi on ole- massa myös muita sinänsä tunnettuja tapoja, joilla va- loherkkä komponentti voidaan kytkeä osaksi ilmaisin- kytkentää niin, että sitä voi käyttää valosykäysten havaitsemiseen.

Hiukkasmittaukseen sovellettuina niil- le on yhteistä se, että valoherkän komponentin tuotta- ma alkuperäinen signaali (kuvassa 13 fotodiodin 1301 estosuuntaisen johtavuuden kasvu ja sen aiheuttama po- tentiaalin lasku fotodiodin 1301 katodilla) on pieni ja sitä on vahvistettava merkittävästi, jotta sen muo- don ja keston arviointi olisi mahdollista.

Jotta arvi- ointi olisi luotettavaa, vahvistinjärjestelyn (jota kuvassa 13 esittää yksinkertaistetusti differentiaali- vahvistin 1305) on oltava mahdollisimman pienikohi- nainen ja järjestely on eristettävä mahdollisimman te- hokkaasti muualla syntyvistä sähkömagneettisista häi- riöistä.

Eristäminen muista, samaan laitteeseen kuulu- vista häiriölähteistä eli lyhyemmin (komponenttikoh- tainen) EMC-suojaus voi edellyttää erityisiä suojaavia rakenteita varsinkin, jos laitteeseen kuuluu sellaisia muita komponentteja, jotka luonteensa mukaisesti tuot- = tavat paljon sähkömagneettisia häiriöitä.

Tällaisia N muita komponentteja ovat esimerkiksi releet, langatto- 3 30 mat lähetinvastaanottimet ja hakkuriteholähteet.

Suo- S jaavina rakenteina käytetään esimerkiksi piirilevyyn Ek muodostettuja maatasorakennelmia ja piirilevyn pinnal- * le juotettavia tai liimattavia, sähköä johtavia EMC- & suojakoppeja.

Maatasorakennelmalla tarkoitetaan tässä 3 35 sellaista paikalliseen maapotentiaaliin kytkettyjen, S piirilevyn pinnoille ja/tai välikerroksiin muodostet-

tujen johdinalueiden kokonaisuutta, joka on muodostet-

tu nimenomaan kyseisellä maatasorakennelmalla suojat- tavien komponenttien tarpeisiin eikä ole vain osa laitteen yleistä maatasoa. Laitteen yleinen maataso on tyypillisesti piirilevyn tietylle pinnalle tai tiet- tyyn välikerrokseen muodostettu, mahdollisimman yhte- näinen johdinalue, joka on yhteinen kaikille samaan piirilevyyn kiinnitetyille komponenteille tai merkit- tävälle osalle niistä, kuten kaikille analogisille komponenteille tai kaikille digitaalisille komponen- teille. Maatasorakennelman tehokkuus EMC-suojaamisessa on yleisesti ottaen sitä parempi, mitä suurempi alue piirilevystä sillä voidaan kattaa suojattavien kompo- nenttien ympärillä ja - monikerrospiirilevyn tapauk- sessa - mitä useampiin piirilevyn kerroksiin se voi- daan ulottaa.

Eräs keino, jolla laite ilman hiukkaspitoi- suuden mittaamiseksi on mahdollista tehdä pieniko- koiseksi ja silti säilyttää sen avainkomponenttien hy- vä EMC-suojaus ja rakenteen ja valmistustekniikan suo- raviivaisuus, on sijoittaa kaksi tai useampia tällai- sia avainkomponentteja yhteisen maatasorakennelman kattamalle alueelle. Jos näitä avainkomponentteja käy- tetään eriaikaisesti, ne eivät häiritse toisiaan vaan niistä kukin voi toimiessaan hyödyntää kyseistä maata- sorakennelmaa ikään kuin se olisi osa vain kyseisen komponentin omaa EMC-suojausta.

Kuva 14 esittää esimerkkiä tällaisesta suori- = tusmuodosta. Kuvassa 14 on esitetty osa eräästä lait- N teesta ilman hiukkaspitoisuuden mittaamiseksi. Lait- 3 30 teessa on laserlähde 701 laservalon tuottamiseksi ja S suuntaamiseksi kohdealueelle, joka on merkitty kuvaan Ek katkoviivaellipsillä. Laitteessa on piirilevy 705 sekä * ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman ohjaa- & miseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi. Ilmakanavaa 3 35 rajaava piirilevyn 705 osa sijoittuu kapeiden viivoi- S tettujen kaistojen väliin. Laservalo muodostaa laser- säteen 1001, joka on fokusoitu kohdealueelle. Hajava-

lon vähentämiseksi laitteessa voi olla valoansa, jonka rakenteista on kuvassa 14 esimerkkinä esitetty väli- seinä 204. Kohdealueen viereen on sijoitettu valonilmai- sin 704 sellaisten valosykäysten havaitsemiseksi, jot- ka syntyvät ilmavirtauksen kuljettamien hiukkasten si- rottaessa laservaloa kohdealueella.

Valonilmaisimeen 704 on kytketty vahvistin valonilmaisimella havaittuja valosykäyksiä vastaavien sähköisten signaalien vahvis- tamiseksi.

Kuvassa 14 vahvistin koostuu useista vah- vistinelementeistä, jotka sisältyvät integroituihin piireihin 1401 ja 1402. Valonilmaisin 704 ja vahvisti- men sisältävät komponentit 1401 ja 140? on asennettu piirilevylle 705. laitteessa on mikroprosessori, jota ei ole esitetty kuvassa 14, koska se sijaitsee piirilevyllä 705 kuvan 14 esittämän alueen ulkopuolella.

Mikropro- sessoria käytetään laitteen ohjelmoitavien toimintojen suorittamiseen.

Lisäksi laitteessa on mikroprosesso- rista erillinen, piirilevylle 705 asennettu ja mikro- prosessoriin kytketty viestintäpiiri 1403 ulkoisten viestiyhteyksien ylläpitämiseksi mikroprosessorin ja laitteen ulkopuolisten muiden laitteiden välillä.

Viestintäpiiri 1403 voi olla varustettu esimerkiksi langattomien yhteyksien kuten IEEE 802.11 -standardin mukaisten Wi-Fi-yhteyksien ylläpitämiseksi ja siihen voi olla kytkettynä antenni 1404. = Viestintäpiiri 1403 ja vahvistin (eli vahvis- N timen sisältävät komponentit 1401 ja 1402) sijaitsevat 3 30 piirilevyllä 705 niille yhteisen, sähköisten häiriöi- S den vähentämiseen tarkoitetun maatasorakennelman 1405 Ek kattamalla alueella.

Maatasorakennelma 1405 on merkit- * ty kuvaan 14 kaavamaisesti vinoviivoituksella.

Piiri- & levyn 705 leveys voi olla verrattain pieni, esimerkik- 3 35 si 15-20 millimetriä, ja maatasorakennelman 1405 koko S piirilevyn tason määräämässä suunnassa voi olla pie- nempi kuin 20 x 20 millimetriä.

Jos piirilevy 705 on monikerrospiirilevy, jonka yhdestä pinnasta suurimman osan kattaa laitteen leinen maataso, maatasorakennelma 704 voi sijaita monikerrospiirilevyn sisällä, ainakin yhden eristekerroksen erottamana yleisestä maatasosta.

Viestintäpiiri 1403 ja vahvistin ovat molem- mat komponentteja, joiden häiriöttömälle ja tehokkaal- le toiminnalle on edullista, että niiden EMC- suojaukseen käytetty maatasorakennelma 1405 on kompo- nenttien kokoon nähden suuri ja - monikerrospiirilevyn tapauksessa - kattaa osia piirilevyn monesta kerrok- sesta.

Myös viestintäpiirin 1403 antennin 1404 toimin- nalle voi olla hyötyä mahdollisimman suuresta ja te- hokkaasta maatasorakennelmasta sen lähellä.

Toisaalta viestintäpiiri 1403 ja vahvistin ovat komponentteja, jotka toimiessaan voisivat tuottaa sähköisiä häiriöitä toinen toisilleen.

Erityisesti viestintäpiiri 1403 on luonteeltaan komponentti, jonka normaali toiminta voi tuottaa niin paljon häiriöitä, että vahvistimen käyttö pienimpiä valonilmaisimella 704 havaittuja valosykäyk- siä vastaavien sähköisten signaalien vahvistamiseksi riittävän tarkasti kävisi mahdottomaksi.

Siksi on edullista, että mikroprosessori on ohjelmoitu järjes- tämään vahvistimen ja viestintäpiirin 1403 toiminta eriaikaisiksi.

Yksittäinen mittausaika, jonka ajaksi mikro- prosessori on ohjelmoitu järjestämään vahvistin toi- mintaan ja viestintäpiiri pois toiminnasta, kannattaa = valita siten, että sen kuluessa on mahdollista saada N mielekkäitä mittaustuloksia.

Tämän arvioinnissa on 3 30 huomioitava kohdealueen läpi kulkevan ilmavirtauksen S määrä ja ne oletetut hiukkaspitoisuudet, joita lait- Ek teella on tarkoitus mitata.

Jos ilmakanavan poikki- * leikkauspinta-ala on enintään vain muutamia neliömil- & limetrejä ja ilmavirtauksen ensisijainen aiheuttaja on 3 35 konvektio, yksittäinen mittausaika voi olla pituudel- S taan esimerkiksi 1-10 sekuntia.

Mainittu konvektio voidaan tuottaa esimerkiksi sijoittamalla ilmakanavaan jokin muu elektroninen komponentti, joka on toimiak- seen saatettava ympäristön lämpötilasta poikkeavaan lämpötilaan. Se, että yhteinen maatasorakennelma kattaa sekä vahvistimen että viestintäpiirin 1403 ja että ne ovat piirilevyn 705 samalla pinnalla, tarkoittaa, että maatasorakennelmasta on mahdollista tehdä suurempi kuin jos jommallakummalla mainituista komponenteista olisi vain sitä ympäröivä oma maatasorakennelma. Suh- teellisen suurikokoinen maatasorakennelma tarkoittaa, että pelkästään maatasorakennelmallakin saavutetaan melko tehokas EMC-suojaus. Riittävä EMC-suojauksen ta- so voidaan saavuttaa, vaikka laitteessa ei ole sähköä johtavaa EMC-suojakoppia piirilevyn pinnalla kattamas- sa kumpaakaan vahvistimesta ja viestintäpiiristä 1403. Tästä on kustannusetua ja valmistusteknistä etua, kos- ka laitteen komponenttiluettelosta ja kokoonpanopro- sessista voidaan jättää kokonaan pois EMC-suojakoppi ja sen kiinnittäminen piirilevyyn. Fdellä kuvatun lisäksi tai asemesta laitteen eri osien toiminnan keskinäisellä ajoittamisella voi- daan saavuttaa myös muita etuja. Esimerkkinä voidaan tarkastella ohjainpiiriä, joka on tarkoitettu vahvis- tettujen sähköisten signaalien käsittelemiseksi ja jo- ka kuvan 14 kaavamaisessa esityksessä voi olla piiri

1406. Viestintäpiirin 1403 tavoin ohjainpiiri 1406 voi olla laitteen ohjelmoitavia toimintoja suorittavasta = mikroprosessorista erillinen mutta siihen kytketty N piiri. Erään näkökohdan mukaisesti ohjainpiiri 1406 3 30 voi olla mikroprosessoriin verrattuna yksinkertainen S ja vain vähän tehoa kuluttava piiri; erään toisen nä- Ek kökohdan mukaisesti mikroprosessorin toiminnalla voi * olla vain vähän merkitystä sinä aikana, kun itse hiuk- & kasmittaus on päällä. Näin ollen mikroprosessori voi 3 35 olla ohjelmoitu menemään virransäästötilaan ainakin S suurimmaksi ojaksi siitä ajasta, jonka aikana ohjain- piiri 1406 on järjestetty toimimaan eli käsittelemään edellä kuvattuja, vahvistimen tuottamia vahvistettuja sähköisiä signaaleja. Suurimmalla osalla tietystä ajasta tarkoitetaan suurempaa kuin 50% osuutta kysei- sestä ajasta.

Kuva 15 havainnollistaa erästä esimerkin- omaista laitteen osien toiminnallista ryhmittelyä. Sähkötehon jakelulinjoja on kuvattu paksummilla vii- voilla ja ohjaus- ja signaaliyhteyksiä ohuemmilla vii- voilla. Kuvan 15 mukaisessa järjestelyssä laitteen kaikkien osien käyttämän sähkötehon lähde on akku tai paristo 1501. Laitteen eri osien tarvitsemat käyttö- jännitteet tuotetaan ja vakavoidaan käyttämällä line- aariregulaattoreita, joista esimerkkinä lineaariregu- laattorilohkot 1502 ja 1503, ja/tai hakkuriteholähtei- tä 1504.

Kuva 16 havainnollistaa erästä esimerkin- omaista ohjainpiiriä 1406, jota voidaan käyttää va- lonilmaisimella havaittuja valosykäyksiä vastaavien, vahvistettujen sähköisten signaalien käsittelemiseksi.

Ohjainpiirissä on tässä esimerkissä joukko vertailu- piirejä 1601, 1602, 1603, joista kukin on järjestetty vertaamaan tulolinjaa 1604 pitkin tulevia, vahvistimen vahvistamia sähköisiä signaaleja kyseiselle vertailu- piirille ominaiseen referenssiin. Kukin vertailupiiri on järjestetty tuottamaan lähtösignaali vasteena sii- hen, että vertaaminen ilmaisee referenssin saavutta- mista tai ylittämistä. Referenssit on esitetty symbo- = lisesti ja niillä voidaan tarkoittaa esimerkiksi vah- N vistetun signaalin amplitudiin, kestoon, muotoon tai 3 30 muuhun piirteeseen viittaavia referenssejä. Kukin ver- S tailupiiri siis olennaisesti tutkii, milloin vahvisti- z melta tuleva sähköinen signaali täyttää tietyn ehdon, + ja tuottaa sitä vastaavan lähtösignaalin. Vertailupii- & rit 1601-1603 voivat olla esimerkiksi analogisia ver- 3 35 tailupiireja, jotka tarvitsevat vain hyvin pienen säh- S kötehon toimiakseen, mutta myös digitaalisten vertai- lupiirien käyttö on mahdollista.

Kuvan 16 mukaisessa ohjainpiirissä on yksi tai useampia laskureita, jotka on esitetty viitenume- roilla 1605, 1606 ja 1607. Laskurit on kytketty vas- taanottamaan vertailupiirien lähtösignaaleja ja laske- maan niiden määrää. Laskureihin 1605-1607 kertyneitä arvoja tutkimalla on siis mahdollista havaita, kuinka monta kertaa kukin vertailupiiri on havainnut omaa re- ferenssiään vastaavat piirteet vahvistimelta tulevassa sähköisessä signaalissa.

Kuvan 15 mukaisessa toiminnallisessa jaotte- lussa mikroprosessorin 1505 virrankulutus sen toimies- sa voi olla useita milliampeereja, kuten esimerkiksi 5 milliampeeria. Jos ohjainpiiri 1406 sisältää vain välttämättömät toiminnot, sen virrankulutus sen toi- miessa voi olla paljonkin alle yhden milliampeerin, kuten esimerkiksi 150 mikroampeeria. Yksittäinen mit- tausaika, jonka aikana ohjainpiiri 1406 on toiminnassa ja josta suurimman osan mikroprosessori 1505 viettää virransäästötilassa, voi olla pituudeltaan välillä 1- 10 sekuntia. Aika, jonka mikroprosessori 1505 sitten virransäästötilasta herättyään käyttää laskurien 1605- 1607 lukemiseen, lukemiensa tietojen käsittelemiseen ja tallentamiseen sekä mahdollisesti kommunikointiin viestintäpiirin 1403 kautta, voi olla vain sekunteja tai jopa alle sekunnin. Tällaisella vuorottelulla on siis mahdollista säästää merkittävästi sähköenergiaa, mikä tarkoittaa, että akun tai pariston 1501 antama = sähköenergia riittää merkittävästi pitempään kuin jos N mikroprosessori 1505 olisi jatkuvasti toiminnassa. 3 30 Kuten edellä jo todettiin, jos laitteessa on S yksi tai useampia hakkuriteholähteitä 1504 käyttöjän- z nitteiden tuottamiseksi ainakin osalle laitteen elekt- > ronisista komponenteista, mikroprosessori 1505 on & edullista ohjelmoida järjestämään tämän tai näiden 3 35 hakkuriteholähteiden toiminta eriaikaiseksi ohjainpii- S rin 1406 toiminnan kanssa. Näin varmistetaan, että hakkuriteholähteiden luonnostaan tuottamat korkeataa-

juiset sähkömagneettiset häiriöt eivät häiritse sen vahvistimesta 1506 ja ohjainpiiristä 1406 muodostuvan kokonaisuuden toimintaa, joka on viritetty mittaamaan pienimpienkin hiukkasten esiintymistä tutkittavassa ilmassa.

Laite, jossa kuvatun kaltaista ilman hiukkas- pitoisuuden mittausta tehdään, voi olla esimerkiksi liesivahti eli standardin EN 50615 mukainen laite, jonka tehtävä on valvoa lieden turvallista käyttöä ja tarvittaessa antaa hälytys ja/tai katkaista lieden tai sen osan käyttövoima vaaratilanteen estämiseksi. Lie- sivahtikäytössä ilman hiukkaspitoisuuden mittaamisella voidaan parantaa toiminnan luotettavuutta ja monipuo- lisuutta, koska ilman hiukkaspitoisuuden mittaus antaa paljon sellaista tietoa, jota liesivahdin perinteisem- mät ilmaisintyypit kuten infrapunalämpömittarit eivät kerro. Muita mahdollisia sovelluskohteita ovat esimer- kiksi sisäilman laadun yleinen mittaaminen kodeissa tai julkisissa tiloissa, rakennusaikainen ilman hiuk- kaspitoisuuden seuraaminen rakennus- tai saneeraustyö- maalla, ulkoilman hiukkaspitoisuuden kuten siitepöly- pitoisuuden mittaaminen ja niin edelleen.

o

O

N o <Q © Oo

I Ao a

LO O N LO O O N

Claims (11)

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Laite ilman hiukkaspitoisuuden mittaa- miseksi, jossa laitteessa on: - laserlähde laservalon tuottamiseksi ja suuntaamisek- si kohdealueelle, - ilmakanava mittauksen kohteena olevan ilman ohjaa- miseksi ilmavirtauksena kohdealueen läpi, - kohdealueen viereen sijoitettu valonilmaisin sel- laisten valosykäysten havaitsemiseksi, jotka syntyvät mainitun ilmavirtauksen kuljettamien hiukkasten sirot- taessa mainittua laservaloa kohdealueella, ja - valoansa mainitun laserlähteen ja mainitun kohdealu- een välillä kohdealueelle kulkeutuvan hajavalon vähen- tämiseksi, jossa valoansassa on ainakin kaksi mainitun laservalon kulkusuuntaan nähden oleellisesti poikit- taista väliseinää ja niistä kussakin aukko halutulla tavalla rajatun määrän laservaloa päästämiseksi kysei- sen väliseinän läpi, tunnettu siitä, että mainitut ainakin kaksi väliseinää ovat osa samaa kap- paletta, joka on valmistettu yhtenäisenä siten, että kutakin mainituista aukoista rajaa koko aukon ympärys- mitalta yhtenäinen osuus mainittua yhtenäisenä valmis- tettua kappaletta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tun- nettu siitä, että mainittu yhtenäisenä valmistettu > kappale on valmistettu ruiskupuristamalla. & >

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lai- 2 te, tunnettu siitä, että © 30 - mainittuihin ainakin kahteen väliseinään lukeutuu E ensimmäinen väliseinä ja toinen väliseinä, jotka si- LO jaitsevat tässä järjestyksessä laserlähteestä kohde- S alueeseen päin, 2 - ensimmäisessä väliseinässä oleva aukko on laservalon N 35 optista akselia pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen puolelta, ja - toisessa väliseinässä oleva aukko on laservalon op- tista akselia pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi kohdealueen puolelta kuin laserlähteen puolelta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tun- nettu siitä, että - mainittuihin ainakin kahteen väliseinään lukeutuu lisäksi kolmas väliseinä, joka on mainitun laserläh- teen ja mainitun ensimmäisen väliseinän välillä, ja - kolmannessa väliseinässä oleva aukko on laservalon optista akselia pitkin otetulta halkileikkaukseltaan kartiomainen siten, että se on suurempi laserlähteen puolelta kuin kohdealueen puolelta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- kainen laite, tunnettu siitä, että mainittu yhtenäise- nä valmistettu kappale muodostaa pidikkeen mainitulle laserlähteelle sen pitämiseksi ennalta valitussa ase- massa mainittuun kohdealueeseen nähden.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- kainen laite, tunnettu siitä, että osa mainitusta yh- tenäisenä valmistetusta kappaleesta muodostaa mainitun valonilmaisimen aktiivista aluetta ympäröivän reunan.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- O 25 kainen laite, tunnettu siitä, että etäisyys mainitusta a laserlähteestä mainitun kohdealueen keskipisteeseen on 2 välillä 10 - 20 millimetriä. © ©

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- z kainen laite, tunnettu siitä, että To) 30 - mainitun valonilmaisimen aktiivinen alue on pit- S känomainen laservalon optisen akselin suunnassa ja 2 - mainitun aktiivisen alueen leveys laservalon optista N akselia vastaan kohtisuorassa suunnassa on vähemmän kuin 4 millimetriä, edullisimmin vähemmän kuin 2 mil- limetriä.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- kainen laite, tunnettu siitä, että - laitteessa on piirilevy, johon mainitut valoansa ja valonilmaisin on kiinnitetty ja johon on lisäksi kiin- nitetty laitteen muita elektronisia komponentteja, - mainitussa yhtenäisenä valmistetussa kappaleessa on sen piirilevyä vasten olevalla sivulla yksi tai useam- pia avoimia alueita ja - yksi tai useampia mainituista muista elektronisista komponenteista on sijoitettu piirilevylle siten, että ne ovat mainittujen yhden tai useamman avoimen alueen kohdalla sijoittuen mainittujen väliseinien välille.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mu- kainen laite, tunnettu siitä, että - mainitussa laserlähteessä on laserdiodi ja optiikka, jotka on sijoitettu yhteiseen koteloon ja - mainittu kotelo tukeutuu mekaanisesti mainittuun yh- tenäisenä valmistettuun kappaleeseen.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että - mainittu kotelo on muodoltaan lieriö, jolla on pi- tuusakseli, - mainittu laserlähde on järjestetty tuottamaan mai- = nittu laservalo niin, että tuotetun laservalon optinen N akseli yhtyy mainitun lieriön pituusakseliin, 3 - mainittu kotelo tukeutuu mekaanisesti lieriömäiseen O syvennykseen, joka on valoansan jatkeena suunnassa, = 30 joka on vastakkainen kohdealueen suuntaan nähden.

a & 3 &