PL234435B1 - Obudowa pyłomierza optycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest obudowa pyłomierza optycznego z czujnikiem laserowym, służącego do badania pyłów w powietrzu atmosferycznym.

Ze stanu techniki znane są rozwiązania bazujące na laserowym rozproszeniu światła, w których zastosowana komora pomiarowa umożliwia swobodny przepływ mieszaniny powietrza z pyłami. Przepływ ten wymuszany jest mechanicznie, za pomocą zabudowanego wentylatora, a stabilność prędkości przepływu wpływa na dokładność oceny wielkości przechodzącej przez promień lasera cząsteczki (np. jak w publikacji: A low-cost instrument for environmental particulate analysis based on optical scattering Anna Morpurgo, Federico Pedersini, and Alessandro Reina Department of Information Science, Universit'a degli studi di Milano Via Comelico 39/41, I-20135 Milano, Italy).

Na tej podstawie, powstały nisko kosztowe zminiaturyzowane pyłomierze, takie jak np. Sharp Optical Dust Sensor (GP2Y1010AU0F) (https://itp.nyu.edu/archive/physcompspring2014/sensors/Reports/GP2Y 1010AU.html).

W tego typu czujnikach, istotnym parametrem jest przepływ powietrza, który powinien być stały oraz niezaburzony. Wszelkie chwilowe zmiany ciśnienia, podmuchy powietrza oraz gromadzenie się pyłów na wlocie komory pomiarowej, będą przyczyną błędów pomiarowych. Pyłomierze te posiadają wprawdzie rozdzielne otwory wlotowe i wylotowe, przez które przepływa bezpośrednio badane powietrze, lecz nie posiadają osłon zabezpieczających przed pyłami o średnicach większych od 10 gm, drobinami wody czy podmuchami wiatru, istotnie wpływającymi na utratę wymaganej stałej prędkości przepływu frakcji wdychanych pyłów przez komorę optycznego pyłomierza. W przeważających rozwiązaniach takich miniaturowych pyłomierzy, otwór wlotowy do komory pomiarowej i wylotowy z tej komory, są położone blisko siebie. Wprowadza to dodatkowe ryzyko popełnienia błędu statystycznego pomiaru wynikającego z poboru próbki z populacji, w której pyły uczestniczące już w pomiarze mogą zostać ponownie wprowadzone do komory pomiarowej.

Z opisu wynalazku PL 203576 znany jest pyłomierz, zawierający układ optyczny sprzężony z układem elektronicznym, przy czym układ optyczny zawiera co najmniej jedno źródło światła i jedną strefę pomiarową prześwietlającą kanał z badanym gazem oraz co najmniej jeden detektor wartości odniesienia i detektor wielkości mierzonej. Pyłomierz ten charakteryzuje się tym, że zawiera trzy pomiarowe strefy prześwietlające w kanale z badanym gazem, które zamknięte są z jednej strony pierwszymi układami optycznymi, a z drugiej strony odpowiednio drugimi układami optycznymi oraz zawiera dwa źródła światła, które są sprzężone odpowiednio z pierwszym układem optycznym pierwszej skrajnej strefy pomiarowej przez pierwszy światłowód zasilający i z drugim układem optycznym drugiej skrajnej strefy pomiarowej przez drugi światłowód zasilający. Drugi układ optyczny pierwszej skrajnej strefy i drugi układ optyczny środkowej strefy sprzężone są ze sobą przez pierwszy światłowód sprzęgający, zaś pierwszy układ optyczny środkowej strefy i pierwszy układ optyczny drugiej skrajnej strefy sprzężone są ze sobą odpowiednio przez drugi światłowód sprzęgający. Natomiast drugi układ optyczny drugiej skrajnej strefy pomiarowej jest sprzężony z pierwszym detektorem głównym przez pierwszy światłowód główny, a pierwszy układ optyczny pierwszej skrajnej strefy pomiarowej jest sprzężony przez drugi światłowód główny z drugim detektorem głównym. Ponadto pierwszy układ optyczny środkowej strefy pomiarowej i pierwszy układ optyczny drugiej skrajnej strefy pomiarowej sprzężone są odpowiednio z oddzielnymi detektorami pośrednimi poprzez światłowody pośrednie, natomiast drugi układ optyczny pierwszej skrajnej strefy pomiarowej i drugi układ optyczny środkowej strefy pomiarowej sprzężone są odpowiednio z kolejnymi detektorami pośrednimi przez następne światłowody pośrednie, a źródła światła sprzężone są także przez światłowody odniesienia z odpowiednimi detektorami wartości odniesienia.

Z opisu wynalazku PL 210877 znany jest pyłomierz zawierający cylindryczną sondę pomiarową sprzężoną za pomocą światłowodów z układem optoelektronicznym, a zawierający co najmniej jeden tor pomiarowy oraz tor referencyjny, przy czym układ optoelektroniczny zawiera co najmniej jedno źródło światła i fotodetektor. Pyłomierz ten charakteryzuje się tym, że wewnątrz rury nośnej sondy pomiarowej usytuowany jest współosiowo odpowiednio wyprofilowany korpus ze wzdłużną przepływową szczeliną pomiarową badanych gazów, o płaszczyźnie symetrii wspólnej z płaszczyzną symetrii znanych wzdłużnych szczelin rury nośnej. W korpusie wykonana jest także jedna para odpowiednio ukształtowanych i naprzeciwległych kanałów przepływowych, które są połączone ze szczeliną pomiarową badanych gazów poprzez otwory o wspólnej osi pokrywającej się ze wzdłużną osią szczeliny pomiarowej

PL 234 435 B1 oraz druga para odpowiednio ukształtowanych naprzeciwległych kanałów przepływowych, które są połączone również ze szczeliną pomiarową badanych gazów poprzez otwory o wspólnej osi, równoległej do poprzecznej osi szczeliny pomiarowej, przy czym punkt przecięcia się osi obu par otworów usytuowany jest w pobliżu czołowej części wzdłużnej szczeliny pomiarowej.

Kanały przepływowe są połączone z wewnętrzną przestrzenią rury nośnej oraz bezpośrednio z wnętrzem przewodu badanego gazu poprzez dodatkowe otwory w rurze nośnej, a także odpowiednio z wyprofilowanymi komorami korpusu sondy. Natomiast pierwszy tor pomiarowy utworzony jest przez pierwsze źródło światła bloku optoelektronicznego, pierwszy światłowód nadawczy wprowadzony do komory usytuowanej w przeciwległym końcu sondy w stosunku do jej czoła, jeden kanał przepływowy pierwszej pary kanałów, otwór, szczelinę pomiarową drugi otwór, drugi kanał przepływowy, drugą komorę i pierwszy światłowód odbiorczy oraz pierwszy fotodetektor bloku optoelektronicznego, przy czym czoła pierwszego światłowodu nadawczego i pierwszego światłowodu odbiorczego są osadzone w komorach tak, że szczelina pomiarowa prześwietlana jest przez wiązkę światła z pierwszego światłowodu nadawczego w osi wzdłużnej tej szczeliny pomiarowej. Drugi tor pomiarowy utworzony jest przez drugie źródło światła bloku optoelektronicznego, drugi światłowód nadawczy wprowadzony do następnej komory, jeden kanał przepływowy drugiej pary kanałów, otwór, szczelinę pomiarową kolejny otwór, drugi kanał przepływowy tej pary, kolejną komorę i drugi światłowód odbiorczy oraz drugi fotodetektor bloku optoelektronicznego, przy czym czoła drugiego światłowodu nadawczego i drugiego światłowodu odbiorczego są osadzone odpowiednio w komorach tak, że szczelina pomiarowa prześwietlana jest przez wiązkę światła z drugiego światłowodu nadawczego równolegle do osi poprzecznej tej szczeliny, zaś trzeci tor pomiarowy utworzony jest przez drugie źródło światła bloku optoelektronicznego, drugi światłowód nadawczy, komorę, jeden kanał przepływowy drugiej ich pary, otwór, szczelinę pomiarową otwór, drugi kanał przepływowy pierwszej ich pary, drugą komorę pierwszego toru pomiarowego, pierwszy światłowód odbiorczy oraz pierwszy fotodetektor bloku optoelektronicznego i stanowi tor pomiarowy światła rozproszonego o kąt 90° na cząsteczkach pyłów badanego gazu, a rura nośna sondy w części czołowej wyposażona jest w co najmniej jeden króciec dopływu gazu ochronnego i zamknięta jest pokrywami.

W komorach pierwszego toru pomiarowego, na drodze wiązki światła w osi wzdłużnej szczeliny pomiarowej, usytuowane są płasko-wypukłe soczewki, które są osadzone tak, że czoła pierwszego światłowodu nadawczego i pierwszego światłowodu odbiorczego odpowiednio doprowadzonych do tych komór leżą w ogniskowych soczewek. W komorach drugiego toru pomiarowego, na drodze wiązki światła równoległej do poprzecznej osi szczeliny, usytuowane są płasko-wypukłe soczewki, które są osadzone tak, że czoła drugiego światłowodu nadawczego i drugiego światłowodu odbiorczego odpowiednio doprowadzonych do tych komór leżą w ogniskowych soczewek. W komorach drugiego toru pomiarowego osadzone są pryzmaty w taki sposób, że jedne krótsze ich boki usytuowane są w pobliżu soczewek drugiego toru pomiarowego i są równoległe do osi otworów tego toru pomiarowego, a drugie krótsze boki tych pryzmatów są usytuowane w pobliżu szczeliny pomiarowej i są prostopadłe do osi tych otworów. Ponadto korpus ma przekrój koła ograniczonego płaszczyznami równoległymi do płaszczyzny symetrii szczeliny pomiarowej oraz przewężenie w środkowej części. W komorze pierwszego toru pomiarowego, na drodze wiązki światła z pierwszego światłowodu nadawczego, umieszczony jest pryzmat kierunkowy, którego podstawa jest prostopadła do osi soczewki i równocześnie do osi otworu.

Z dokumentacji zgłoszeniowej polskiego wynalazku P.385503 znany jest stacjonarny iskrobezpieczny pyłomierz optyczny, który charakteryzuje się tym, że w komorze pomiarowej w płaszczyźnie prostopadłej do jej osi symetrii usytuowane są względem siebie pod kątem ostrym (a = 65-75°) kanał nadajnika z nadajnikiem oraz kanał odbiornika z odbiornikiem. Nadajnik zasilany jest z układu sterowania i przetwarzania danych. Odbiornik połączony jest z analogowym torem pomiarowym, którego wyjście połączone jest z mikroprocesorem. Na wylocie kanału nadajnika za układem optycznym nadajnika oraz na wylocie kanału odbiornika za układem optycznym nadajnika, usytuowane są pierścieniowe przesłony przeciwpyłowe. W korpusie obudowy komory pomiarowej po przeciwległej stronie kanału nadajnika, w osi jego symetrii, znajduje się gniazdo ze szczeliną, do której przytwierdzona jest komora wygaszająca. W korpusie obudowy komory pomiarowej po przeciwległej stronie kanału odbiornika, w osi jego symetrii, usytuowana jest tuleja z przytwierdzonym do jej dna stożkiem rozpraszającym.

Znany jest polski wzór użytkowy RU.058721, który rozwiązuje zagadnienie konstrukcji pyłomierza optycznego, stosowanego do ciągłego pomiaru stężenia pyłu w spalinach oraz współpracującego z komputerem zewnętrznym. Pyłomierz optyczny posiada kolisty kołnierz mocujący, który ma szczelną komorę powietrzną z czterema okrągłymi otworami, rozmieszczonymi niecentrycznie, po dwa od strony

PL 234 435 B1 zewnętrznej i dwa od strony kanału spalin. Jedna para otworów jest usytuowana współosiowo, naprzeciw siebie, przy czym w otworze od strony zewnętrznej jest zamocowane gniazdo głowicy optycznej, a od strony kanału spalin jest dłuższa dysza powietrza osłonowego. W drugim zewnętrznym otworze jest zamocowany króciec powietrza osłonowego w kształcie rury, na której zamocowana jest bezpośrednio nagrzewnica. W drugim otworze, od strony kanału spalin, zamocowana jest rura nośna, na drugim końcu której jest usytuowana druga szczelna komora powietrzna z gniazdem reflektora. Reflektor stanowi ścięty róg szklanego sześcianu. Druga komora posiada trzy okrągłe otwory. W pierwszym otworze jest zamocowana rura nośna, a w pozostałych dwóch otworach, usytuowanych naprzeciwko siebie, są zamocowane współosiowo gniazdo reflektora i krótsza dysza powietrza osłonowego.

Istotą obudowy pyłomierza optycznego, w postaci zamkniętego korpusu, mającego w środku komorę pomiarową na co najmniej jeden czujnik laserowy oraz otwory wlotowe i otwory wylotowe wykonane w korpusie jest to, że za otworami wlotowymi wykonanymi w korpusie, ma komorę wlotową, a przed otworami wylotowymi wykonanymi w korpusie, ma komorę wylotową, przy czym komora wlotowa oraz komora wylotowa rozmieszczone są przeciwstawnie względem siebie i rozdzielone są przegrodą.

Korzystnie korpus stanowi bryła przestrzenna o podstawie sześciokąta foremnego.

Korzystnie komora wlotowa znajduje się przed przegrodą i komorą pomiarową.

Korzystnie komora wlotowa ma trzy sub-komory.

Korzystnie pierwsza z sub-komór posiada zagłębienie, w stosunku do sub-komory drugiej.

Korzystnie druga sub-komora ma barierę, zwężającą wejście do trzeciej sub-komory - korytarza.

Korzystnie trzecia sub-komora - korytarz, jest oddzielona od komory wylotowej przegrodą i posiada zagłębienie w stosunku do wejścia czujnika laserowego w komorze pomiarowej.

Komora wylotowa znajduje się za przegrodą i komorą pomiarową.

Komora wylotowa we wnętrzu ma przestrzeń otwartą, bez barier utrudniających wydostanie się mieszaniny powietrza i pyłów na zewnątrz pyłomierza.

Obudowa pyłomierza optycznego z czujnikami laserowymi wg. wynalazku, wprowadza oddzielne komory: komorę wlotową - doprowadzającą powietrze do komory pomiarowej i komorę wylotową - wyprowadzającą pomierzoną próbkę mieszaniny powietrza z pyłami na zewnątrz obudowy. Komora wlotowa i komora wylotowa, są przeciwstawne względem siebie. Rozmieszczenie i kształt komory wlotowej i komory wylotowej, zapewnia stały i niezaburzony przepływ powietrza w pyłomierzu. Eliminuje także chwilowe zmiany ciśnienia, podmuchy powietrza oraz gromadzenie się pyłów na wlocie komory pomiarowej, które mogą być przyczyną błędów pomiarowych. Komory stanowią osłony zabezpieczające przed pyłami o średnicach większych od 10 μm, drobinami wody czy podmuchami wiatru, istotnie wpływającymi na utratę wymaganej stałej prędkości przepływu frakcji wdychanych pyłów przez komorę optycznego pyłomierza. Oddalenie i oddzielenie otworu wlotowego i wylotowego z tej komory zmniejsza ryzyko popełnienia błędu statystycznego pomiaru wynikającego z poboru próbki z populacji, w której pyły uczestniczące już w pomiarze mogą zostać ponownie wprowadzone do komory pomiarowej.

Przedmiot wynalazku ujawniono w poniższym przykładzie realizacji oraz na rysunku, na którym fig. 1 ukazuje wnętrze otwartego korpusu obudowy pyłomierza optycznego, w ujęciu aksonometrycznym.

Obudowa pyłomierza optycznego ma postać korpusu 1, korzystnie w postaci bryły przestrzennej o podstawie sześciokąta foremnego, zamkniętego szczelną pokrywą, wewnątrz którego znajduje się komora 2 pomiarowa na co najmniej jeden czujnik laserowy zasilany przez baterię zasilającą w postaci akumulatora litowo-jonowego ładowanego z gniazda USB, przez którą to komorę 2 pomiarową przepływa mieszanina powietrza z pyłami, pobrana przez otwory 3 wlotowe i otwory 4 wylotowe, wykonane w korpusie 1 obudowy. Za komorą pomiarową 2 znajduje się komora 10 akumulatora, na baterię zasilającą czujnik laserowy.

Obudowa pyłomierza optycznego może być wykonana z metalu, przez odlewanie lub łączenie (przykładowo spawanie). Może być także wykonana z tworzyw sztucznych przez odlewanie, wtryskiwanie, wytłaczanie lub drukowanie na drukarkach 3D, a nawet z ceramiki.

Jak pokazano na fig. 1, korpus 1 obudowy pyłomierza optycznego posiada rozdzielone przegrodą komory: komorę 6 wlotową i komorę 7 wylotową do i z komory 2 pomiarowej, rozmieszczone względem siebie przeciwstawnie.

Komora 6 wlotowa posiada konstrukcję utrudniającą przepływ większych pyłów i drobin wody, a jednocześnie umożliwiającą przepływ pyłów o mniejszej średnicy, np. PM1, PM2.5, PM 10. Na komorę wlotową składają się trzy sub-komory. Pierwsza z sub-komór posiada zagłębienie (w stosunku do sub

PL 234 435 B1 komory drugiej), które odpowiada za osiadanie w niej cięższych cząstek pyłów. Lżejsze cząsteczki p yłów unoszone siłą wytwarzaną przez podciśnienie generowane z turbiny czujnika laserowego są w stanie unieść się ponad to zagłębienie i trafić do drugiej sub-komory. Druga sub-komora na końcu posiada barierę 8 (w wariancie korzystnym niesymetryczną lub jednostronną), na którą trafią z większym prawdopodobieństwem cząsteczki o większym pędzie, a zatem i masie (p=mv) a więc i rozmiarach (proporcjonalne do masy). Bariera 8 zwęża wejście do trzeciej sub-komory - korytarza 9. Mniejsze cząstki przedostaną się do trzeciej sub-komory - korytarza 9. Trzecia sub-komora - korytarz 9 zamknięta jest przegrodą 5, oddzielającą ją od komory 7 wylotowej. Posiada ona również zagłębienie w stosunku do wejścia czujnika laserowego w komorze 2 pomiarowej, gdzie ponownie będą zatrzymywać się najcięższe i największe cząsteczki. Komora 7 wylotowa jest skonstruowana tak, że nie zawiera istotnych barier dla opuszczających czujnik cząstek pyłów.

Opisana powyżej konstrukcja komory 6 wlotowej powoduje, że pyły po wejściu do niej przez otwory 3 wlotowe wykonane w korpusie 1 obudowy, muszą zostać uniesione, a następnie pokonać barierę 8 zwężającą korytarza 9 komory 6 wlotowej. Korytarz 9, to odcinek komory 6 wlotowej zawarty pomiędzy barierą 8 i przegrodą 5. Kolejna przeszkoda, w postaci przegrody 5, rozdzielającej komorę 6 wlotową i komorę 7 wylotową, kieruje strumień mieszaniny powietrza z pyłami do komory 2 pomiarowej, na wlot czujnika laserowego. Po dostaniu się do komory pomiarowej 4, na wlot czujnika laserowego, mieszanina powietrza z pyłami podąża ku komorze 7 wylotowej, która za przegrodą 5 ma opływowy kształt, ułatwiający wydostanie się mieszaniny powietrza i niesionych pyłów na zewnątrz pyłomierza, poprzez otwory 4 wylotowe wykonane w korpusie 1.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Obudowa pyłomierza optycznego z czujnikami laserowymi, w postaci zamkniętego korpusu, mającego w środku komorę pomiarową na co najmniej jeden czujnik laserowy oraz otwory wlotowe i otwory wylotowe wykonane w korpusie, znamienna tym, że za otworami (3) wlotowymi wykonanymi w korpusie (1), ma komorę (6) wlotową, a przed otworami (4) wylotowymi wykonanymi w korpusie (1), ma komorę (7) wylotową, przy czym komora (6) wlotowa oraz komora (7) wylotowa rozmieszczone są przeciwstawnie względem siebie i rozdzielone są przegrodą (5).
2. 2. Obudowa wg zastrz. 1, znamienna tym, że korpus (1) stanowi bryła przestrzenna o podstawie sześciokąta foremnego.
3. 3. Obudowa wg zastrz. 1, znamienna tym, że komora (6) wlotowa znajduje się przed przegrodą (5) i komorą (2) pomiarową.
4. 4. Obudowa wg zastrz. 1 lub 3, znamienna tym, że komora (6) wlotowa ma trzy sub-komory.
5. 5. Obudowa wg zastrz. 4, znamienna tym, że pierwsza z sub-komór posiada zagłębienie, w stosunku do sub-komory drugiej.
6. 6. Obudowa wg zastrz. 4, znamienna tym, że druga sub-komora ma barierę (8), zwężającą wejście do trzeciej sub-komory - korytarza (9).
7. 7. Obudowa wg zastrz. 4, znamienna tym, że trzecia sub-komora - korytarz (9), jest oddzielona od komory (7) wylotowej przegrodą (5) i posiada zagłębienie w stosunku do wejścia czujnika laserowego w komorze (2) pomiarowej.
8. 8. Obudowa wg zastrz. 1, znamienna tym, że komora (7) wylotowa znajduje się za przegrodą (5) i komorą (2) pomiarową.
9. 9. Obudowa wg zastrz. 1 lub 8, znamienna tym, że komora (7) wylotowa ma przestrzeń otwartą, bez barier utrudniających wydostanie się mieszaniny powietrza i pyłów na zewnątrz pyłomierza.

   PL 234 435 Β1

   Fig.l