Vzrůstající potřeba ochrany životního prostředí vyžaduje mimo jiné i přesné měření "škodlivin" vznikajících při různé průmyslové výrobě. Jednou z negativních prvků moderní výroby a zpracování je i prach. Proto je ho nutné monitorovat a měřit. K tomu slouží přesné senzory prachu pracující a optickém přístupu.

V dnešním moderním průmyslovém světě, není nouze o spousty prachu a sazí, ať již vznikají například nedokonalým spalováním, chemickým zpracováním a výrobou nebo povrchovou těžbou. Mimo jiné se právě Česká republika obecně vyznačuje velkou prašností. Alespoň na některých místech a v některých průmyslových odvětvích je možné provádět monitorování či přímo měření koncentrace prachu, sazí či jiných pevných částeček obsažených ve vzduchu, procházejícím detekčním prostorem. K tomu slouží senzory prachu a právě ty jsou předmětem tohoto článku.

I když na první pohled senzory prachu vypadají jako velmi složitá zařízení, nemusí to být vždy pravda. Většina jejich provedení umožňuje měřit koncentraci prachu v miligramech na metr krychlový, v předem definovaném prostoru. Obvykle se jedná o nějaké odvodní kanál nebo potrubí průchozí pouze jedním směrem, na němž je senzor prachu nainstalován - viz schématický obrázek vedle.

Použití

• Monitorování a kontrola funkce filtrů a odlučovačů prachu a sazí
• Řízení toků produktů v chemickém, potravinářském průmyslu nebo ve výrobě krmiv pro zvířata apod.
• Řízení a kontrola ventilace v metalurgickém průmyslu
• Ve výrobě stavebních materiálů (např. cementárny, výrobě cihel nebo omítek apod.)
• Produkce papíru a skla
• Monitorování plynů odcházející z tavicích pecí v ocelárnách a podobných odvětvích
• Monitorování zásobníků a plnicích provozů pracující s prašným materiálem
• Mlýny na uhlí a provozy s odlučující popel
• Zátěžové testy pro filtry
• Monitorování okolního vzduchu během ukládání a přenosové procesy uvnitř továrních hal
• Ochrana turbín

Princip měření prachu a sazí

Nejběžnější princip pro měření a detekci prachu a částic sazí je použití průchodu optického paprsku napříč detekčním prostorem. "Nárazem" paprsku světla do částeček prachu totiž dochází k jeho rozptylu a tím i snížení jeho energie a intenzity. Pokud tedy intenzitu vráceného paprsku porovnáme s intenzitou paprsku vyslaného, lze určit dále popsaným matematickým výpočtem koncetraci prachu v daném prostoru.

V praxi, podobně jako u optozávor, se nejčastěji využívá třech principů:

• reflexní princip - dochází k dvojitému průchodu detekčním prostorem, kde na jednom konci je společně umístěn vysílač i přijímač a na druhém odrazka - reflektor. Detekční prostor tak musí být přístupný z obou stran - viz obrázek 1, 2 a 3.
  


• rozptylový princip - dochází k odrazu světla od vysílače k přijímače přímo na prachových částicích a přijímač detekuje právě onu odraženou složku. Zde je také vysílač i přijímač ve společné "krabici" - "na jedné straně", ale narozdíl od reflexního pronicpu se zde nevyužívá reflektoru. Detekční prostor tak může být přístupný jen z jedné strany.
  


• jednocestný princip - narozdíl od předchozích dvou variant, zde jsou vysílač a přijímač proti sobě a paprsek prochází detekčním prostorem pouze jedním směrem. Této varianty se využívá pouze u nejmenších provedení senzorů -viz obrázek 4.

 

Přece jenom častější a spolehlivější je reflexní princip, na němž je demonstrován i níže uvedený postup výpočtu hodnoty koncentrace prachu udávané v jednotkách miligramů na metr krychlový. Základem je zjištění hodnoty přenosu T (Transmission), tj. poměr intenzity vysílané a přijímaného paprsku světla. Množství prachových částic právě úměrné snížení intenzity paprsku procházející detekčním prostorem. Prach totiž světlo pohlcuje nebo odráží do bočních směrů. Absorbce světla může být také vyjádřená tzv. Lambertovým Beerovým zákonem, který dává do souvislosti útlum světla s konstantou útlumu k, koncentrací c a délkou prošlé dráhy. Koncentraci prachu lze také vypočítat ze vzorce pro optickou hustotu E, což je pouze logaritmus převrácené hodnoty přenosu T.

Nevyhodnocuje se tedy tzv. absolutní hodnota přijatého světla. Použití hodnoty přenosu, tzn. poměru přijatého utlumeného paprsku s vysílaným signálem, se používá z důvodu odstranění vlivu změny parametrů vysílače. Intenzita jím vysílaného světla se může totiž měnit s neměřenými okolními podmínkami, jako je například teplota, tlak či vlhkost.

Principy senzorů prachu a sazí

Senzory prachu jsou obvykle komplexní systémy, které neobsahují pouze samotný snímač, ale i rozsáhlou vyhodnocovací a řídící elektroniku. Ta signál ze snímače nejen zesiluje, odrušuje apod., ale také provádí jeho klasifikaci a převod pro jeho nejvhodnější zobrazení v podobě okamžitých i dlouhodobých (průměrovaných) hodnot, grafů, statistických tabulek apod.

Celý systém senzoru prachu lze zhruba rozdělit na následující části:

• Samotný snímač tvořený vysílací/přijímací jednotkou a reflektorem
• Připojovací/zobrazovací jednotka, která provádí napájení snímače a zpracovává dodaný signál, příp. zobrazuje základní údaje a hodnoty
• Řídící stanice/HMI - obvykle PC se softwarem, která provádí detailní zpracování naměřených hodnot a jejich vyhodnocení do grafické a tabulkové podoby a řízení celého systému
• Vzduchotechnika, která napájí čistým vzduchem přívodní roury od vysílací/přijímací jednotky a od reflektoru ústící detekčního prostoru.

Z pohledu konstrukce samotného snímače-detektoru částic prachu, se dle aplikace využívá buď masivnější konstrukce s odděleným vysílačem/přijímačem = měřící hlava (Measurung head) a reflektorem (viz obrázek 4.) nebo spojeným vysílačem a přijímačem pro detekci malých oblastí (viz obrázek 5.). V druhém případě s obvykle používá jednocestný princip, kde na jedné straně je vysílač paprsku světla a na společném držáku na protilehlé straně je přijímač. Ten může být přímo proti vysílači, pak to funguje na principu útlumu paprsku prachem, nebo může být vysílač či přijímač vychýlen z osy a pak se využívá naopak odrazu světla od prachových částic - viz obrázek 5.

Jak již bylo uvedeno výše, nejpoužívanější reflexní snímač je složen ze dvou částí: měřící hlavy (Measuring Head) a odražeče (reflector) - viz obrázek 5. Logicky nejsložitější je měřící hlava, která obsahuje mimo zdroje a přijímače záření (Lamp and Photoelement), v podobě LED nebo někdy i Laseru a obvykle PIN fotodiody, obsahuje i často složitou strukturu čoček (objectives) a zrcadel (mirrors). Ty provádějí formování paprsku vysílaného ze zdroje záření (Lamp), oddělení referenčního vzorku vygenerovaného paprsku pro porovnání s přijatým paprskem (Beam splitter), směrování z hlavy vystupujícího paprsku (Mirror 2), zaostření odraženého přijímaného signálu (Objective 1 a Objective 2).

Senzory prachu SICK

V nabídce firmy SICK, resp. její divize MAIHAK, najdete ucelenou řadu senzorů prachu. Možné je si vybrat od nejmenších provedení až po ty velká, vhodná pro velká potrubí a velmi rychlá proudění vzduchu.

 

FW 56 - Dust measuring device

Měřící princip:

Z vysílací jednotky vysílaný paprsek je zeslabován přítomností prachu v odsávacím, odvodním výfukovém kanále. Zeslabení intezity světla, získané jako poměr intenzity světla vyslaného a příjatého, poskytuje základní informaci o koncentraci prachových částic v odpadních plynech. Pracování signálů (Signal processing) a modulace poskytuje velkou citlivost a zároveň minimalizaci vlivu kontaminace během diferenčního přenosu.

Komponenty systému:

• Vysílací a přijímací jednotka
• Reflektor
• Vyhodnocovací jednotka
• Jednotka pro vhánění čistého vzduchu

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: 0 … 20 mg/m3 až 100 mg/m3
• Teplota měřených plynů: teplota rosného bodu … 250 °C (480 °F), > 140 °C (284 °F)
• Zobrazení: 4 LED diody, 2řádkový LCD displej
• Komunikační rozhraní: RS 232 servisní interface, RS 422 interface přes přídavný modul
• Výstupy:
• Analogový výstup: 0/2/4 … 20 mA; 8 Bit, rozlišení ± 1 %
• Reléový výstup: spínání max. 250 V DC/125 V AC; 1 A; 60 W; stavové signály (operation/fault, mainten., limit value)
• Digitální vstupy: údržba a údaje o limitních hodnotách, synchronizačních signál
• Teplotní rozsah: –20…+50 °C
• Stupeň krytí: IP65

RM230 - Dust Concentration Monitor with AutoRANGE

Měřící princip:

Z vysílací jednotky je vysílán úzký paprsek světla, který je rozptylován/odrážen prachovými částicemi šikmo zpět na přijímač - detektor světla. Čím více stojí v cestě paprsku prachových částic, tím více světla je doraženo na přijímač a tím je větší signál na výstupu ze snímače. Pro velké výkonné verze je však na druhé straně detekčního prostoru umístit absorbér/pohlcovač světla, aby nedocházelo ke jeho zpětnému odrazu od stěny a bylo tím vyloučeno chybné měření. Výhodou tohoto provedené je menší prostorová náročnost

Komponenty systému:

• Vysílací a přijímací jednotka
• Vyhodnocovací jednotka
• Příp. pohlcovač světla

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: 0 … 200 mg/m3
• Přesnost: ± 2% z rozsahu
• Detekční vzdálenost od detektoru: 0.2 … 1.5 m (verze 1), 1.5 … 3.5 m (verze 2), > 3.5 m (verze 3)
• Odezva: 1 … 255 s
• Teplota měřených plynů: do 500 °C (vyšší teplota na přání)
• Zobrazení: LED diody, 2řádkový LCD displej
• Komunikační rozhraní: RS 232 servisní interface, RS 422 interface přes přídavný modul
• Výstupy:
• 2x Analogový výstup: 0 … 20 mA
• 4x stavové vstupy: 10 … 35 V DC/10 … 25 V AC; volitelné
• 4x reléové výstupy: 48 V DC/1 A; volitelný
• Teplotní rozsah: –20…+50 °C
• Rozměry snímače: 196 x 203 x 162,5 mm nebo 210 x 495 x 276 mm
• Stupeň krytí: IP65
• Odolné provedení pro průmyslové prostředí

FW100 - Dust Measurement Device

Měřící princip:

Senzory řady FW100 pracují na principu měření dopředu vychýleného/rozptýleného světla. Jejich malé kompaktní rozměry jsou vhodná pro přesná použití v malých prostorech a pro přesné měření i velmi malých koncentrací. Jako zdroj světla se proto využívá laserové diody, který generuje paprsek modulovaného světla ve viditelném spektru a řídí ho na částice prachu rozptýlené v procházeném plynu. Dopředu rozptýlené světlo od prachu je zaznamenáváno velmi citlivým detektorem.

Bod průsečíku mezi vysílaným paprskem a přijímací aparaturou definuje měřené množství v kanále. Intenzita měřeného vychýleného světla je pak úměrná koncentraci prachu. K vyhodnocení je použito gravimetrického porovnání (EN 13284-1 a VDI 2066), kdy výstupní signál je přímo úměrný měřené koncentraci na výstupu.

Komponenty systému:

• Vysílací a přijímací jednotka
• Vyhodnocovací jednotka

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: minimální 0 ... 5 mg/m3, maximální 0 … 200 mg/m3
• Přesnost: ± 2% z rozsahu
• Detekční vzdálenost od detektoru: 0.2 … 1.5 m (verze 1), 1.5 … 3.5 m (verze 2), > 3.5 m (verze 3)
• Odezva: 1 … 255 s
• Teplota měřených plynů: –20 ... 220 °C nebo –20 ... 400 °C
• Zobrazení: LED diody, 2řádkový LCD displej
• Komunikační rozhraní: RS 232 pro připojení k PC, CAN modul pro připojení FW100 k vyhodnocovací jednotce
• Výstupy:
• Analogový výstup: 0/2/4 ... 20 mA
• Digitální vstupy: 10 … 35 V DC/10 … 25 V AC
• 3x beznapěťové reléové výstupy: 48 V DC/1 A
• Teplotní rozsah: –20…+50 °C
• Rozměry snímače: 150 x 150 x 440 mm až 150 x 150 x 1245 mm
• Stupeň krytí: IP65
• Odolné provedení pro průmyslové prostředí

 

Senzory prachy DURAG

Další firmou, která se mimo jiné zabývá výrobou a prodejem senzorů prachu, je DURAG. V nabídce lze nalézt ucelenou kolekci, zahrnující všechny výše uvedené principy. mezi nejzajímavější patří typ D-R 300.

D-R 300 Měření prachové koncentrace nebo tmavosti kouře

Měřící princip:

Senzory typu D-R 300 / D-R 300-40 pracují na principu rozptylu světla, který je vhodný pro velmi citlivé měření velmi malých hodnot koncentrací. Speciální tvar emisní optiky moduluje světlo z halogenové lampy s dlouhou životností do kónický paprsku, který ozařuje částice prachu nebo sazí kouře např. v nějaké rouře. Ty světlo částečně odrážejí na zpět, kde je zachytáváno fotosenzorem. Ten převádí intenzitu světla na přímo úměrný signálový proud. Ten je úměrný koncentraci měřeného množství. Na snímač připojená vyhodnocovací elektronika, která ze signálových proudů odpovídající vysílanému a přijímanému světelnému paprsku spočítá koncentraci. Ta je zobrazena na 4místném displeji a vyslána na výstup jako hodnota proudu v analogové proudové smyčky. Měřící optika a elektronika se připevňuje na komín nebo potrubí a výsledná hodnota může být zobrazena v množství sazí (smoke spot number) nebo v mg/m3. Vyhřívaná optika se udržuje v čistém prostředí odděleně od špíny prostřednictvím vháněním čistého vzduchu.

Systém umožňuje:

• In-situ měření přímo v toku spalin
• Digitální vyhodnocení měřících signálů
• Vysoká mikroprocesorová technologie
• Automatický systém testuje a koriguje měřené hodnoty
• Automatická kalibrace v čtyřhodinových cyklech
• Optické a elektronické části v hermeticky utěsněných krytech
• Jednoduchá údržba díky optimálnímu profuku vzduchovým ventilátorem
• Přímý přístup ke všem parametrům pomocí řídícího displeje
• Automatický výběr rozsahu s normou 17. BlmSchV

Základní vlastnosti:

• Měřící rozsah: minimální 0 … 1 mg/m3, maximální 0 … 100 mg/m3
• Detekční vzdálenost od detektoru: 80 až 280 mm
• Teplota měřených plynů: až 320 °C
• Zobrazení: LED diody, 2řádkový LCD displej
• Komunikační rozhraní: RS 232 pro připojení k PC
• Výstupy:
• Analogový výstup: 0/2/4 ... 20 mA
• Digitální vstupy: 10 … 35 V DC/10 … 25 V AC
• 3x beznapěťové reléové výstupy: 48 V DC/1 A
• Teplotní rozsah: –20…+50 °C
• Rozměry snímače: 565 x 310 x 200 (410) mm
• Stupeň krytí: IP65

Závěr

V tomto článku jsem se zkráceně pokusil uvést základní věci o senzorech prachu. Ty lze najít v nabídkách mnoha firem a však v tomto článku jsem uvedl některé senzory výrobců SICK a DURAG, které lze najít na českém trhu. Zde jsem uvedl jen základní informace. Pro bližší údaje pak odkazuji na přímo na stránky obou výrobců, resp. distributorů - viz níže. Zde můžete najít i další senzory a systémy s různými citlivostmi a různých provedení.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.cz
• Domovská stránka firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.com
• Domovská stránka české pobočky firmy DURAG - www.poly-analyser.cz
• Domovská stránka firmy DURAG, výrobce senzorů - www.durag.de
  
  
• Článek o správné volbě optozávory na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o optických senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o utrazvukových senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o kapacitních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stránkách automatizace.HW.cz