Měření kvality ovzduší laserovým principem

29.11.2025

Měření kvality ovzduší je klíčové pro ochranu zdraví a životního prostředí. Moderní technologie využívají laserové principy pro přesné a efektivní monitorování různých znečišťujících látek. Tento článek se zaměřuje na různé metody měření kvality ovzduší založené na laserových technologiích.

Laserová difrakce

Laserová difrakce je měřicí technologie pro stanovení distribuce velikosti částic. V této metodě je laserový paprsek namířen na soubor částic rozptýlených buď v kapalině, nebo ve vzduchu. Měřicí technologie je popsána ve standardu ISO 13320 „Analýza velikosti částic - laserové difrakční metody“.

Způsob, jakým se výsledky počítají a zobrazují, je popsán v normách ISO 9276-1 a ISO 9276-2 „Reprezentace výsledků analýzy velikosti částic“ část 1 a část 2.

Typické měření laserové difrakce u částic rozptýlených v kapalině obvykle trvá 1-2 minuty. Laserové difrakční analyzátory obvykle pokrývají rozsah velikosti částic od 10 nm do 4 mm. To odpovídá faktoru 400 000 mezi nejmenšími a největšími měřitelnými částicemi.

Zařízení pro laserovou difrakci se obvykle používá ve výzkumu nebo při kontrole kvality.

Čtěte také: Jak správně ohlásit emise kotle?

Jak funguje laserová difrakce?

Když laserové světlo (monochromatické, koherentní, polarizované) narazí na překážku, dojde k difrakčním jevům. K difrakci dochází například u otvorů, štěrbin, mřížek a částic.

Z okrajů částice se světlo šíří ve formě sférických vlnových front, jejichž interference pak vede k pozorovaným difrakčním jevům. Difrakční úhel je určen vlnovou délkou světla a velikostí částice, přičemž s rostoucí velikostí částic se difrakční úhly zmenšují. U menších částic charakteristická difrakční maxima mizí a v tomto případě se běžněji označuje jako rozptyl.

Avšak vzor rozptýleného světla závisí na velikosti i pro tyto malé částice: čím větší je částice, tím více světla se rozptyluje a tím více se rozptyluje dopředu.

Horní mez rozsahu měření laserové difrakce je dána skutečností, že se zvětšující se velikostí částic se difrakční úhly zmenšují a zmenšují. Výsledkem je, že malé rozdíly mezi velikostmi částic jsou metrologicky těžší detekovatelné a rozlišení laserové difrakce klesá.

Dolní mez rozsahu měření je definována slabou intenzitou rozptýleného světla z malých částic. Použití světla o krátké vlnové délce, které přináší větší intenzitu rozptylu, může rozšířit rozsah měření laserové difrakce na menší velikost částic. To je důvod, proč mnoho laserových difrakčních analyzátorů používá zdroje červeného a modrého světla.

Čtěte také: Postupy měření emisí 2T

Výhody laserové difrakce

Moderní laserové difrakční analyzátory určují distribuci velikosti částic ve velmi širokém dynamickém měřicím rozsahu. Není třeba předem nastavovat rozsah velikostí, například posouváním čoček nebo výběrem vhodné optiky.
Laserová difrakce se používá v mnoha různých průmyslových odvětvích pro rutinní analýzu a kontrolu kvality i pro náročné úkoly výzkumu a vývoje. Jak vlhké vzorky, tj. suspenze a emulze, tak suché prášky lze snadno charakterizovat pomocí laserové difrakce.
Krátké doby měření jsou hlavní výhodou laserové difrakce. Celý běh trvá 1-2 minuty, v závislosti na využití ultrazvukové energie a počtu čisticích cyklů. V případě suchého měření je doba měření 10 - 40 sekund.
Použití SOP zajišťuje, že analýza pomocí laserové difrakce se provádí vždy za stejných podmínek. Tím se prakticky eliminují chyby obsluhy a zaručuje se vysoká reprodukovatelnost i mezi analyzátory na různých místech.
Laserové difrakční přístroje se vyznačují velkou robustností a nízkými nároky na údržbu. Metoda je stěží citlivá na vnější rušení a mnoho nástrojů je umístěno ve výrobních zařízeních. Aby se však dále snížila požadovaná údržba laserového difrakčního analyzátoru, měl by být v ideálním případě vybaven diodovými lasery s dlouhou životností.

Fraunhoferova aproximace a Mieho hodnocení

„Laserová difrakce“ a „analýza rozptylu statického světla“ se často používají zaměnitelně, i když pojem „laserová difrakce“ zdomácněl v mnoha průmyslových odvětvích a laboratořích. Difrakce produkuje maxima a minima v distribuci intenzity v charakteristických úhlech. Toto rozdělení je popsáno takzvanou Fraunhoferovou teorií.

Výhodou Fraunhoferovy aproximace je, že není třeba znát žádné další materiálové vlastnosti vzorku. Tento přístup však není použitelný pro menší a průhledné částice, protože zde mají optické vlastnosti částic také vliv na distribuci intenzity u detektorů. Tyto optické vlastnosti, v podstatě index lomu, musí být známy pro hodnocení distribuce velikosti částic.

Tento druh hodnocení se provádí podle Mieho teorie, pojmenované podle fyzika Gustava Mie. Přísně vzato, Fraunhoferova difrakce je pouze zvláštním případem Mieho teorie, která popisuje všechny difrakční a rozptylové jevy komplexně.

Pro částice s průměrem d významně větším než je vlnová délka světla je použitelná Fraunhoferova aproximace. U menších částic je nutné použít hodnocení Mie.

Konfokální laserové snímače

Konfokální laserové snímače využívají k měření polychromatické bílé světlo, které vysílají i přijímají v jedné ose. Jednotlivé vlnové délky (barvy) vyzařovaného světla jsou zaostřeny každá do specifické vzdálenosti.

Čtěte také: LPG emise Zlín a Fryšták

Následně jsou z odraženého světla odfiltrovány neostré složky, aby bylo možné identifikovat, která vlnová délka byla zaostřena správně do místa odrazu.

Konfokální laserový měřicí systém řady CL-3000 využívá princip konfokálního měření vzdálenosti zajišťující vysoce přesné výsledky na jakémkoli materiálu nebo povrchu. Použití konfokálního snímače umožňuje stabilní měření na materiálech od tmavé pryže až po průhledné fólie bez nutnosti upravovat umístnění senzoru nebo nastavovat nové parametry v softwaru.

Uvnitř senzorových hlav je pouze čočka, takže jsou kompaktní a lehké, což je ideální pro instalaci v úzkých prostorech nebo na robotech. Veškerá elektronika je umístěna mimo místo měření v optické jednotce, což zajišťuje stabilní výsledek, který není ovlivněn změnami teplot ani elektrickým šumem.

Řada CL-3000 je vybavena funkcemi, jako je čtyřnásobné bodové zpracování a vyrovnání optických os, a je proto vhodná pro různá odvětví a aplikace.

Aplikace konfokálních senzorů

Měření tloušťky skla bez chyb způsobených vzory na povrchu.
Řízení vzdálenosti trysky od povrchu výrobku při nanášení barvy pomocí zpětné vazby v reálném čase.
Kontrola rovinnosti skla měřením čtyř stran a středu skla.
Měření vlnové délky světla, která zaostřila přímo na povrch dílu, i u DPS a jiných výrobků, které snadno propouštějí světlo.

Laserové snímače založené na triangulaci

Laserové snímače založené na principu triangulace využívají úhel odrazu laserového paprsku k výpočtu vzdálenosti, ve které k odrazu došlo. Úhel odrazu je určen pozicí dopadu paprsku na snímač a ze znalosti délky jedné strany v trojúhelníku a vnitřních úhlů lze vypočítat délku zbývajících stran.

Díky použití laserového paprsku a triangulačního nebo konfokálního principu je možné měřit i takové výrobky, které mají různorodý povrch nebo jsou z různých materiálů. Nejvhodnější snímač je pak možné vybrat podle každé specifické aplikace (například pro průhledné nebo lesklé materiály).

Laserové snímače řady LK-G5000 založené na principu triangulace nabízejí bezkontaktní měření s vysokou rychlostí a přesností. Snímače využívají pokročilý hardware, jako je RS-CMOS a sada čoček HDE, a poskytují spolehlivé výsledky pro řadu různých materiálů. Použitá technologie vyniká skvělou linearitou (0,02 % F.S.) a opakovatelností (0,005 µm). Díky maximální rychlosti vzorkování 392 kHz může řada LK-G5000 spolehlivě monitorovat vibrace nebo zachytit malé změny u rychle se pohybujících výrobků.

Laserové snímače řady LK-G3000 založené na principu triangulace využívají vysoce přesné Li-CCD a čočky ernostar. Tato řada nabízí širokou škálu senzorových hlav pro řešení aplikací vyžadujících velmi vysokou přesnost nebo velkou vzdálenost měření a má maximální dosah 1 metr.

Laserové senzory založené na obrazu

Laserové senzory řady IX založené na obrazu mohou měřit výšku kdekoli v oblasti. Rozpoznávání obrazu pomocí kamery umožňuje laseru zjistit výšku cílového bodu, i když obrobky nejsou na výrobní lince dokonale vyrovnané.

Výška místa, kam laser dopadne, se bude lišit, pokud je cíl nakloněný nebo pokud se cíl sám liší, ale řada IX dokáže identifikovat výškový rozdíl oproti referenci. Například na montážní lince dílů může jediná jednotka řady IX nejen kontrolovat přítomnost dílů, ale také provádět kontrolu usazení a další kontroly na základě výšky.

Multifunkční analogové laserové senzory CMOS

Multifunkční analogové laserové senzory CMOS řady IL jsou reflexní senzory, které poskytují skvělé schopnosti detekce a nejvyšší stabilitu ve své třídě. Stabilní detekce je možná i za dostupnou cenu, bez ohledu na typy výrobků nebo jejich povrch. Řadu IL lze velice rychle a snadno nainstalovat na většinu výrobních linek.

Díky široké nabídce senzorových hlav, včetně vysoce přesných modelů a modelů s velkým dosahem (až 3,5 m), lze tyto laserové senzory použít v různých aplikacích.

TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)

Analýza plynných směsí je založena na principu laditelné diodové laserové absorpční spektroskopie (TDLAS). Tato metoda využívá absorpce laserového záření v infračervené oblasti specifickými plyny. Laserové záření je naladěno na typický absorpční pás studovaného plynu. Měřením intenzity laserového paprsku před a po průchodu vzorkem lze stanovit koncentraci plynu.

TDLAS se využívá v široké škále aplikací, včetně monitorování emisí, kontroly kvality v potravinářském a farmaceutickém průmyslu a v dalších oblastech, kde je nutné měřit koncentrace plynů nedestruktivním způsobem.

Senzory PM částic

Senzory na PM částice využívají principu pohlcení či rozptýlení paprsku světla na PM částicích pro měření (zjištění) počtu, velikosti a koncentraci částic. Čím více je částic prachu v měřeném vzorku vzduchu, tím méně světla přes ně projde.

Levnější PM senzory používají LED diody, které generují široký a nekoherentní paprsek s menší výkonovou hustotou. Moderní a dražší PM senzory využívají laserovou technologii, která umožňuje rozlišení a měření aerosolových částic kategorií od 0,3 m a třídit částice do kategorií PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 a PM10. Laserový paprsek je zaostřen na malou oblast a malý průměr jeho paprsku obsahuje při větším výkonu na menší ploše tedy vyšší výkonovou hustotu.