В современных пылемерах используются различные методы определения концентрации пылевых частиц в воздухе. К ним относятся: фильтрация, седиментация, преципитация (термо- и электропреципитация), а также оптический и фотометрический методы.
 
В публикации МОТ, появившейся в 1967 г., было описано около 60 стандартных приборов для отбора пылевых проб, которые применялись главным образом на шахтах. За прошедший с этого времени период количество применяемых приборов резко уменьшилось. Исключение составляют приборы, принцип работы которых основан на фильтрации с применением седиментации или без нее (с использованием циклонов), а также приборы, измеряющие количество рассеянного частицами пыли света, которые, строго говоря, не являются приборами для отбора проб.
 

Однако в ряде стран при проведении контроля состояния окружающей среды продолжают использоваться устаревшие типы приборов. Они позволяют обеспечить сопоставимость получаемых результатов с имеющимися данными и могут применяться только в тех случаях, когда концентрация и состав пыли стабилизировались в результате интенсивного внедрения методов борьбы с запыленностью воздуха.
 

Фильтрационные приборы. Такие приборы состоят из аспиратора (вентилятор, насос, эжектор и т.п.), расходомера и фильтра. В качестве фильтрующего материала используются бумага, имеющая форму пылеприемника Сокслета (рис. 1) или простого диска; растворимые материалы; стекловолокно; микропористые целлюлозные мембраны (0,4-0,2 мкм).
 

Некоторые из этих приборов оснащаются аэрозольным сепаратором, обеспечивающим улавливание грубых фракций и обычно состоящим из многоканального седиментационного аппарата.
 

а)    Для определения общей концентрации пыли путем измерения ее массы используется фильтр Сокслета в сочетании с прибором Staser. Производительность прибора по количеству протягиваемого воздуха (для создания воздушного потока применяется пневматический эжектор) составляет 1 м³/ч. Скорость воздушного потока регулируется изменением диаметра входного отверстия прибора. Остальные фильтрационные приборы типа Сокслет, например Siter (4 м³/ч), Gothe (12 м³/ч) и Xexhlet (6 м³/ч) с седиментационным аппаратом практически не применяются.
 

б)    Целлюлозные мембраны обладают очень высокой фильтрующей способностью и применяются наиболее часто как для отбора проб с низкой концентрацией пыли путем подсчета числа адсорбированных на этом фильтре частиц, так и для отбора проб весовым методом. В число таких приборов, измеряющих концентрацию пыли счетным методом, входят насос Draeger (объем протягиваемого воздуха составляет 100 см³), аппарат Zurlo (ртутный насос эллиптического типа; объем протягиваемого воздуха 100 см³) и прибор автономного действия Морин - Сершара. Производительность последнего прибора составляет 500 см³/мин при соответствующей регулировке электронасоса, который для угольных шахт должен иметь взрывобезопасное исполнение. В течение рабочей смены этим прибором можно последовательно отбирать до 20 проб. При исследовании асбестовой пыли, в особенности для подсчета количества асбестовых волокон, более широкое применение получили индивидуальный прибор SIMPED и его модификации. Средняя скорость протягивания воздуха в этом приборе составляет 2 л/мин, диапазон скоростей от 0,8 до 4 л/мин. До сих пор используется относительно большое число приборов с мембранными фильтрами для отбора проб весовым методом. К таким приборам относятся приборы типа Staplex и другие, протягивающие от 2 до 12 м³ воздуха в час (в ряде случаев 20 м³/час и выше). Принцип действия этих приборов основан исключительно на фильтрации. Однако если такие приборы оснащены аэрозольным сепаратором для улавливания крупных частиц пыли во взрывоопасной атмосфере и если требуемая производительность протягивания воздуха превышает 2-3 м³/ч, то принцип работы их основывается на использовании исключительно сжатого воздуха. Одним из приборов такого типа является SFI-Draeger и его модификация под известной маркой MPG. Производительность протягивания воздуха у приборов марки MPG составляет 3 м³/ч. Крупные частицы пыли осаждаются в горизонтальной части прибора, что соответствует рекомендациям Йоханнесбургской конференции. Автономные приборы с питанием от аккумулятора производят отбор проб с более низкой производительностью протягивания воздуха, в среднем около 2,5-4 л/мин. Одним из лучших таких приборов является взрывобезопасный прибор типа MRE, выпускаемый в Великобритании. Прибор оснащен мембранным фильтром. Его производительность составляет 2,5 л/мин. Предварительное отделение крупных частиц пыли в этом приборе производится в соответствии с рекомендациями Йоханнесбургской конференции (рис. 2).

в) Другие фильтрующие материалы. В соответствии со специальными требованиями или методами, с помощью которых производится исследование уловленных частиц пыли, применяются также другие фильтрующие материалы. В приборе, выпускаемом предприятиями Le Bouchet Laboratories и Nord-Pas-de-Calais Mines, используется тетрахлорнафталин, растворимый в бензоле ; уловленные этим прибором частицы подсчитываются в указанном растворе или взвешиваются после испарения жидкости. Бумажные фильтры-диски диаметром 10-15 мм устанавливаются в патронах, которые крепятся у входного отверстия ручного насоса типа PRU. Фильтры в этом случае не взвешиваются, а частицы пыли не подсчитываются; исследование состоит в измерении оптической плотности бумажных фильтров или в замере величины относительного светового потока, пропускаемого через фильтр. В дальнейшем применение этого метода отбора проб может быть допущено для стандартных замеров, когда распределение частиц по размерам и вид пыли не изменяются. Вместо бумажных мембран иногда применяются фильтры, изготовленные из стекловолокна. Подобный фильтр Whatman в течение нескольких лет используется в автономных приборах типа MRE. Аналогичный фильтр может быть использован в приборе типа MRDE Multishift, выполненном на основе прибора типа MRE, конструкция которого позволяет производить отбор проб в течение пяти рабочих смен. В последнее время в некоторых пылемерах применяются фильтры многократного использования, имеющие в своей основе синтетическую пену. Однако следует отметить, что принцип их действия основан не только на фильтрации.
 

Приборы седиментационного типа. Эти приборы отличаются простотой конструкции и состоят главным образом из стеклянной пластинки, которая покрывается (или не покрывается) вазелином. Пластинка в течение определенного времени находится в запыленной воздушной среде. В седиментационном приборе Wright отбор проб из защищенного кожухом пространства производится автоматически. Частицы оседают и накапливаются на предметном стекле, которое затем исследуется под микроскопом. В настоящее время приборы такого типа применяются исключительно в лабораторных условиях.
 

Приборы, основанные на принципе центробежного отбора проб. В этих приборах используются принципы фильтрации, седиментации либо принцип центробежной сепарации частиц. При этом отбор проб пыли обеспечивается за счет кинетической энергии частиц, находящихся во взвешенном состоянии под воздействием создаваемого насосом воздушного потока.

Классификация пыли производится в соответствии с распределением частиц по их размерам, а также в соответствии с их формой и вещественным составом. В приборе улавливаются лишь те частицы пыли, у которых скорость движения до соударения находится в определенных пределах в зависимости от расхода, скорости воздушного потока и габаритных размеров всей системы отбора проб. Приборы Conicycle Selective Sampling System (производительность 10 л/мин в течение 8 ч) и Nord-Pas-de-Calais Mines (производительность 75 л/ч в течение 40 ч) представляют собой автономные устройства. Они оснащены электрическими микродвигателями, которые приводят в действие центробежный насос для отбора проб с частотой 6 000 или 8 000 об/мин.
 

Автономный прибор СРМ3 фирмы Сершар (Франция) представляет собой новую конструкцию прибора Turbo Collector. Он выпускается во взрывобезопасном исполнении с учетом работы в условиях повышенной влажности (рис. 3). Прибор содержит циклончик, улавливающий крупные частицы, и обеспечивает отбор мелкой пыли на пенный фильтр, вращающийся с высокой частотой и, таким образом, действующий как вентилятор. Производительность прибора составляет 3 м³/ч.
 

Путем сопоставления кривых распределения частиц, уловленных в циклоне, и кривых эффективности пенного фильтра может быть получена графическая зависимость распределения тонких фракций пыли. Эта зависимость, по предположению исследователя Хэтча и его коллег, практически совпадает с графической зависимостью накопления пыли на альвеолах.
 

На рис. 4 приведены сравнительные кривые накопления пыли на альвеолах и улавливания частиц пыли в различного типа центробежных сепараторах. Из сопоставления приведенных на рисунке графических зависимостей следует, что размеры вдыхаемых микроскопических частиц пыли не всегда одинаковы.

Прибор TBF50, разработанный Научно-исследовательским горным институтом (ФРГ), также предназначен для работ во взрывоопасной атмосфере и в условиях повышенной влажности. В этом приборе в качестве первой ступени улавливания крупных частиц пыли также используется циклонный сепаратор, аналогичный применяемому в приборе СРМ3. Прибор TBF50 является автономным. Улавливание пыли в нем производится с помощью второго циклона, через который пневматическим эжектором протягивается около 3 м³ воздуха в час (рис. 5). Для улавливания микроскопических частиц пыли, которые не задерживаются во втором циклоне, предусмотрено применение дополнительного целлюлозного мембранного фильтра.
 

На шахтах западноевропейских стран до сих пор используются (в основном для проведения специальных исследований) приборы, протягивающие большие объемы воздуха. В таких приборах применяется циклон в сочетании с мембранным коллектором. Путем изменения объема протягиваемого воздуха в единицу времени в пределах от 50-75 до 100 м³/ч в этих приборах могут быть получены различные графические зависимости распределения частиц. Подача сжатого воздуха в них производится непосредственно от шахтной компрессорной установки.
 

Прибор Zurlo Pneumo-classifier также обеспечивает улавливание частиц пыли, обладающих определенной инерционностью. Но работа его основана не на принципе использования центробежных сил. В этом приборе направление протягиваемого воздушного потока, проходящего через конический трубопровод, подвергается резкому изменению, что вызывает, в свою очередь, резкое выделение частиц пыли из воздушного потока.
 

Приборы, основанные на принципе скруббера. Запыленный поток воздуха, протягиваемый ручным насосом, попадает на направляющие лопатки, благодаря чему резко меняет направление, теряет первоначальную скорость и поступает затем в пылеулавливающую жидкость (скруббер, содержащий раствор с низким коэффициентом поверхностного натяжения). Проба взвешивается (после выпаривания жидкости), либо подсчитываются частицы, находящиеся в эмульсии. Лучшим из подобных приборов считается “midget impinger” (производительность 3 л/мин). Этот прибор и его модификации (например, миниатюрный скруббер) обладают низкой пылеулавливающей способностью для частиц размером менее 1 мкм. Они вызывают измельчение конгломератов и даже отдельных хрупких частиц..
 

Струйные приборы, основанные на принципе соударения частиц (импакторы). В приборах этого типа, известных под названием кониметров, протягивание малого объема воздуха производится с помощью ручного или автоматического насоса, направляющего воздушную струю на стеклянную пластинку. Эффективность отбора проб зависит от размеров частиц, концентрации пыли в воздухе и вещественного состава пыли, содержащейся в пробе. Недостатки, присущие этим приборам, могут быть устранены путем оснащения их седиментационной камерой и регулируемым аспиратором, которые обеспечивают улавливание частиц размером более 5 мкм и создание равномерного воздушного потока (прибор “Bergbaukonimeter”).
 

Каскадное устройство (импактор), в котором осуществляется последовательное соударение частиц, является модификацией кониметра. Прибор включает три или четыре пылеуловителя последовательного действия, обеспечивающих разделение пыли на фракции по размерам частиц.
 

Электростатические пылеуловители. В этих приборах под воздействием создаваемого электрического поля взвешенные частицы пыли приобретают электрический заряд и притягиваются соответственно к аноду или катоду, где и происходит их накапливание. Отобранные электростатическим прибором пробы содержат частицы пыли, имеющие минимальный размер ОД мкм, а объем аспирируемого воздуха, например в приборе MS А, достигает 85 л/мин. Без специального исполнения Gast Apparatus эти приборы не обеспечивают взрывобезопасность и не могут применяться в условиях повышенной влажности. Другой недостаток этих приборов заключается в том, что в них формируются конгломераты частиц либо, наоборот, разрушаются естественные соединения частиц в зависимости от вещественного состава анализируемой пыли.
 

Термопреципитаторы. Принцип действия таких приборов показан на рис. 6. Улавливание пыли в них происходит в результате воздействия на частицы теплового поля во время прохождения последних через прибор. Пылеприемник (рис. 7) включает электрически нагреваемую проволоку, находящуюся между двумя латунными элементами, разделенными тонкой бакелитовой прокладкой, в которой есть канал для воздуха. С обеих сторон нагреваемой проволоки имеются стеклянные пластинки (диаметр 18 мм), зафиксированные двумя металлическими заглушками. После отбора проб собранной на пластинках пыли воспроизводится изображение нагреваемой проволоки, если воздушный поток не превышает заданного значения (не выше 6 см³/мин) и температура проволоки постоянна (100-105°С для прибора типа Casella “Mines”).
 

При постоянном воздушном потоке время отбора проб ограничивается уровнем концентрации пыли, т.е. продолжительность отбора проб должна быть отрегулирована таким образом, чтобы получить слой соответствующей плотности. Несмотря на указанные недостатки, термопреципитаторы применяются для проведения лабораторных исследований. На практике этот прибор является наиболее надежным: он обеспечивает точные замеры концентраций, размеров частиц и показывает образование конгломератов частиц в пробах (размеры частиц составляют менее 5 мкм). Данный метод получил распространение примерно в 10 странах.
 

С целью усовершенствования подвергалась изменению первоначальная конструкция прибора. При этом в него были введены фиксаторы стеклянных пластинок новой конструкции. Эти фиксаторы дают возможность производить отбор нескольких проб на одну и ту же пластинку путем смены пылеприемника, что позволяет собирать пыль лишь на одну пластинку и распределять осадок таким образом, чтобы иметь возможность отбирать пробы в течение более длительного времени, т. е. избежать образования ложных конгломератов частиц. С введением механического и автоматического подсчета нерастворимых частиц пыли и возможности установления распределения размеров частиц при использовании очень малых проб, собираемых на мембранных фильтрах, термопреципитаторы становятся менее эффективными.
 

Оптические пылемеры. Принцип работы этих приборов основан на измерении оптических свойств пылевых облаков. В определенных условиях появляется возможность установить концентрацию пыли путем измерения интенсивности светового потока, рассеиваемого пылевыми частицами, когда световой луч проникает через пылевое облако (явление поглощения и рассеивания света, эффект Тиндалля). На этом принципе основано действие стандартного прибора - тиндаллоскопа. В состав его входят пылевая камера, через которую протягивается запыленный воздушный поток, источник света и фотометр. Если известен вещественный состав пыли и рассчитаны скорости седиментации пылевых частиц различного диаметра, то показания тиндаллоскопа посредством использования соответствующих номограмм могут быть переведены в значения концентрации пыли на рабочих местах.
 
Этот прибор, нашедший широкое применение на шахтах ФРГ в 1950-х гг., требует проведения частой калибровки в соответствии с видом исследуемой пыли и в случае высокой влажности окружающей среды дает погрешности в показаниях.

Тем не менее при необходимости исследования быстрых изменений уровней концентрации пыли прибор отличается высокой точностью. С учетом последнего требования Научно-исследовательским горным институтом (ФРГ) и Научно-исследовательским институтом по обеспечению безопасности работ в горной промышленности (Великобритания) на основе тиндаллоскопа были разработаны новые приборы - ТМ Digital и SIMSLIN II. В этих приборах, позволяющих проследить изменения концентрации пыли в атмосфере рабочей зоны, учтены требования по технике безопасности, действующие на угольных шахтах. С помощью данных приборов производятся измерения количества света, рассеянного частицами пыли.

Результаты измерений могут записываться на магнитную ленту или передаваться через цифровую или аналоговую систему в виде соответствующих сигналов. Однако в начале 1980 г. было еще преждевременно рассматривать эти приборы в качестве стандартных пылемеров.
 

Измерение массы пыли также может быть произведено автоматически с использованием Р-лучей, отличающихся низким энергетическим уровнем. Эти лучи поглощаются при столкновении с частицами, плотность которых пропорциональна их массе на единицу объема и не зависит от химических или физических свойств пылинок. Производительность прибора модели 101 фирмы GCA Согр. (США, 1972 г.) составляет 2 л воздуха в минуту. Результат измерений, выраженный в мг/м³, выдается через 10 с.
 

Принцип работы некоторых пылемеров, например прибора MPSI-IRCHA (Франция), основан на дифференциальном измерении посредством отбора пыли в заданном объеме воздуха на полоске фильтра, изготовленного из стекловолокна. Этот прибор выдает от двух до десяти показаний результатов измерений в час.