Фільтри очищувачів повітря, їх типи та принципи роботи

У цій статті Ви дізнаєтеся про типи фільтруючих елементів, їх характеристики та призначення. Знайдете відповідь на питання чому для якісного очищення повітря необхідно використовувати комбінацію з різних елементів, що фільтрують, і як вони працюють.

Найпершим фільтром у системах фільтрації використовують фільтр грубої очистки, який називають так само префільтр . Він призначений для фільтрації від великих забруднень та частинок, які можуть швидко забруднити або вивести з ладу фільтри більш тонкого очищення. Структура фільтра є каркасом, заповненим пористим елементом з відносно великим розміром пор, здатних затримувати волосся, пил, великі частинки. Деякі фільтруючі матеріали стиснуті у бік чистого повітря та заповнює на всю глибину волокнисту смугу для поглинання пилу.

Наступним ступенем фільтрації, як правило, є фільтрація HEPA фільтрами , від англійського скорочення High Efficiency Particulate Air або High Efficiency Particulate Arrestance - високоефективне утримання часток. HEPA фільтр - вид повітряних фільтрів високої ефективності, головна мета яких - видаляти з повітря дрібнодисперсні частинки, у тому числі PM2.5 та PM10 (з діаметром менше 2,5 та 10 мкм відповідно)

Фільтри такого типу почали використовуватися у 40-х роках у США під час розвитку ядерного проекту. Вони застосовувалися для уловлювання радіоактивних частинок на підприємствах ядерної промисловості.

Фільтр виготовлений з довгого листа волокнистого матеріалу (діаметр волокон 0,65-6,5 мікрон, відстань між ними 10-40 мікрон), складеного гармошкою, а також корпуси з елементами, що утримують лист у складеному стані.

Ефективність HEPA-фільтрів оцінюють за кількістю частинок розміром до 0,06 мікрона на літр повітря, які викидаються назад у середу після проходження фільтра. Класи фільтрів: HEPA 10 (50000), HEPA 11 (5000), HEPA 12 (500), HEPA 13 (50), HEPA 14 (5).

HEPA-фільтри утворені системою волокон складної форми. Зазвичай використовують склопластикові волокна з діаметром від 0,5 до 2 мкм. Основні фактори, що впливають на роботу – діаметр волокна та товщина фільтра. Повітряний простір між волокнами HEPA фільтра значно більший за 0,3 мкм.

Уявлення про те, що фільтр діє як сито, де менші частинки, ніж найбільші отвори можуть пройти через фільтр, невірні для HEPA-фільтрів. Ефект сита справедливий і для HEPA-фільтрів, проте відіграє негативну роль, призводячи до передчасного забруднення, зменшення швидкості фільтрування і навіть виходу з ладу фільтра. Незважаючи на крайню небажаність цього ефекту, позбутися його практично неможливо.

HEPA-фільтри розраховані на фільтрацію невеликих частинок. Ці частинки уловлюються волокнами за допомогою таких механізмів:

1. Ефект зачеплення (interception) проявляється, якщо лінія струму повітря проходить близько (на відстані порядку товщини волокна або ближче) до фільтрувального волокна. Частинки прилипають до волокон.

2. Ефект інерції (impact) проявляється для великих частинок.Завдяки великій інерції частинки великого діаметра не здатні огинати волокна, слідуючи викривленою траєкторією в потоці повітря, і затримуються в одному з них. Тому вони продовжують прямолінійний рух до безпосереднього зіткнення з перешкодою. Цей ефект збільшується зі зменшенням простору між волокнами та збільшенням швидкості повітряного потоку.

3. Ефект дифузії (diffusion) є зіткнення дрібних частинок забруднень, з діаметром менше 0,1 мкм, з частками газу з наступним уповільненням перших при проходженні через фільтр. Такі частинки починають здійснювати рухи в сторони ліній повітряного потоку на відстані, що перевищують їх діаметр. Така поведінка подібна до броунівського руху і збільшує ймовірність того, що частка зупиниться остаточно під дією одного з вищевказаних механізмів. При низьких швидкостях повітряного потоку цей механізм стає домінуючим.

Дифузійний механізм переважає при фільтрації частинок діаметрами менше 0,1 мкм. Зачеплення та інерція переважають для частинок понад 0,4 мкм у діаметрі. Частинки розміром близько 0,2-0,3 мкм фільтруються не так ефективно, вони називаються Most Penetrating Particle Size (MPPS). Клас фільтра визначається саме за MPPS.

Для видалення з повітряного середовища озону та широкого спектру шкідливих летких органічних сполук, таких як бензин, формальдегід, толуол, а також для видалення алергенів, пилку, тютюнового диму. вугільні фільтри .

Всередині вугільного фільтра для очищення повітря є велика кількість дрібних гранул активованого вугілля. Вугілля – природний сорбент. Поверхня вугілля нерівна, пориста.Після активації, при якій деревне вугілля нагрівається до дуже високих температур, вугілля має ще пористішу структуру, що збільшує його поверхню, тому що кожна пора збільшує робочу площу фільтрації. Один грам активованого вугілля має площу близько 500 м2 або 1/10 площі футбольного поля. У порах вугілля діє міжмолекулярне тяжіння, завдяки якому активоване вугілля поглинає та утримує шкідливі речовини.

Важливо, щоб крім вугільних фільтрів очищувачі повітря оснащувалися фільтрами механічного (попереднього очищення - пилопоглинаючими). Якщо фільтр попереднього очищення мало ефективно затримує макрочастинки, вони будуть накопичуватися в мікропорах вугільного фільтра. Отже, це призведе до передчасного насичення активованого вугілля та зносу фільтра.

Цеолітні фільтри , як і вугільні, є адсорбційними фільтрами, що видаляють шкідливі газові сполуки та запахи. Цеоліт - це особливий пористий мінерал, усередині якого міститься велика кількість порожнин і розгалужених каналів, на які припадає до половини його обсягу. Подібна будова дозволяє цеоліту ефективно поглинати молекули різноманітних летких сполук. На відміну від вугільних фільтрів, деякі цеолітні фільтри можна мити водою, тому такі фільтри є багаторазовими.

Іноді для нейтралізації поглинених токсинів на поверхню цеолітних та вугільних наноситься каталізатор (наприклад, оксид титану - TiO2), який під дію ультрафіолету сприяє розкладу шкідливих речовин на найпростіші безпечні сполуки (на такому ж принципі працює фотокаталітичний фільтр).Для відновлення фільтра з каталізатором достатньо помістити його на кілька годин під сонячні промені.

Холодний каталітичний фільтр прискорює розкладання шкідливих речовин на компоненти, що легко поглинаються шляхом окислення шкідливих сполук і речовин. Працює як каталізатор без зовнішнього впливу. Як каталізатор в системах очищення повітря зазвичай використовують оксид титану TiO2. Холодний каталітичний фільтр фільтрує такі сполуки як формальдегід, аміак, бензол, леткі органічні речовини, сірководень та інші шкідливі гази, розкладаючи їх на воду та вуглекислий газ.

Фотокаталітичний фільтр відрізняється від холодного каталітичного фільтра наявністю ультрафіолетової лампи, під впливом якої відбувається процес фотокаталізу. Фотокаталіз – прискорення хімічної реакції, обумовлене спільною дією каталізатора та опромінення світлом. Природним явищем фотокаталізу є фотосинтез, у якому хлорофіл виступає у ролі фотокатализатора. У фотокаталітичному фільтрі як фотокаталізатор використовується оксид титану TiO2, нанесений на поверхню повітропропускаючого носія каталізатора.

Ультрафіолетове випромінювання працюють у безозоновій ділянці ультрафіолету – А (320-400 нм). Під впливом ультрафіолетового випромінювання оксид титану виділяє хімічно-активні сполуки кисню та гідроксильних груп, які здатні очищати повітря від найдрібніших та найнебезпечніших забруднень. Окислювачі, що виробляються на поверхні фільтру, діють на молекулярному рівні – вступають у хімічну реакцію з токсичними речовинами, розкладаючи їх на простіші нешкідливі елементи - вуглекислий газ і воду.

Однією з найважливіших переваг фотокаталітичного фільтра є знищення найбільш шкідливих бактерій і вірусів (грип, туберкульоз, пліснява і т.д.), а не їх накопичення.

Іноді зустрічається фільтра з найменуванням як фільтр формальдегіду . Такий фільтр є складовим фільтром, що складається, як правило, з вугільного та цеолітного фільтра, об'єднаний в один корпус.

Принцип роботи ультрафіолетового фільтра заснований на ультрафіолетовому випромінюванні кварцової лампи, що згубно впливає на хвороботворні мікроорганізми. Ультрафіолетове випромінювання - електромагнітне випромінювання, що займає спектральний діапазон між видимим та рентгенівським випромінюваннями. Довжини хвиль ультрафіолетового випромінювання лежать в інтервалі від 10 до 400 нм. Бактерицидне ультрафіолетове випромінювання на довжинах хвиль 205-315 нм викликає зміни в ДНК мікроорганізмів і призводить до уповільнення темпів їх розмноження та вимирання.

Зволожувач повітря проганяє повітря через вологий фільтр (зволожуючий картридж), у результаті повітря незначно охолоджується (теплота на випаровування води береться з повітря) і зволожується.

Продуктивність таких зволожувачів сильно залежить від відносної вологості повітря (що вона вища, тим нижча інтенсивність випаровування) і температури (що вища температура, тим інтенсивніше відбувається зволоження). Таким чином, відносна вологість повітря автоматично підтримується оптимальному рівні.

Миття повітря відрізняється від зволоження наявністю повільно обертається навколо горизонтальної осі барабана з гідрофільних дисків. Нижче осі обертання диски занурюються у воду і намокають, а вище - обдуваються потоком повітря, що створює вентилятор, і підсихають, зволожуючи повітря.Якщо в потоці повітря є пилові частинки, то вони з певною ймовірністю прилипають до мокрої поверхні диска і змиваються при зануренні сегмента у воду робочого об'єму зволожувача. Таким чином, потік повітря, що виходить з зволожувача, чистіше і вологіше, ніж вхідний.

Електростатичний фільтр призначений для очищення повітря від сторонніх частинок, що містяться в ньому, в основному дрібних (пилу і аерозолів). Електростатичні фільтри здатні ефективно очищати повітря від найдрібнішого пилу (розміром від 0,01 мкм), у тому числі кіптяви та тютюнового диму. Іноді цей тип фільтра називають плазмовим іонізатором.

Як правило, конструктивно є набір металевих пластин, між якими натягнуті металеві нитки. Між нитками та пластинами створюється різниця потенціалів у кілька кіловольт. Різниця потенціалів призводить до утворення сильного електричного поля між нитками та пластинами. При цьому на поверхні ниток виникає коронний розряд, що у поєднанні з електричним полем забезпечує іонний струм від ниток до пластин. Забруднене повітря подається в простір між пластинами, пил із забрудненого повітря, що проходить через фільтр, набуває електричного заряду (іонізується) під впливом іонного струму, після чого під дією електричного поля притягується до пластин і осідає на них.

Іонний очищувач повітря або іонізатор - пристрій для утворення іонів із нейтральних атомів або молекул. Використовуються для очищення повітря та придушення бактеріальної активності.

Іонізатори працюють від джерела іонізуючого випромінювання або на високій напрузі (кілька тисяч вольт) з коронним розрядом на електродах.

У очищувачах повітря використовують іонізатори з високою напругою. Іонізатори цього типу оснащені загостреними електродами, які за допомогою електричного розряду та електростатичної емісії утворюють іони у безпосередній близькості від електродів. В ідеалі, в іонізаторі повинен проходити так званий тихий або темний розряд, при якому голки не світяться. Проте за підвищення напруги «темний» розряд іноді перетворюється на «коронний» - зі свіченням вістря голок. Кількість електронів і іонів, що утворюються при цьому, в цьому випадку збільшується

Пил, кіптява, дим, пилок рослин, бактерії, алергени і всі тверді частинки повітря заряджаються під впливом іонізатора повітря і притягуються до плюсового осаджувального електрода або плюсового електрода, в якості якого виступають стіни, стеля, підлога, де і осідають, що безсумнівно краще, ніж вдихати небезпечні забруднення.

Сучасні пристрої очищення повітря для підвищення якості повітря і продуктивності використовують комбінацію фільтруючих елементів і технологій, збираючи в собі унікальні фізичні та хімічні процеси для того, щоб Ви дихали якісним і чистим повітрям. У розділі "Системи очищення повітря" ви можете познайомитися з найкращими представниками систем очищення повітря та підібрати для себе якісне рішення для боротьби зі шкідливими викидами та запахами.

Знайомство із частотними фільтрами. Частина 2: розщедритися і підняти селективність

У попередній частині ми познайомилися з базовими поняттями, характеристиками та видами фільтрів. І навіть зібрали простий фільтр Чебишева п'ятого порядку за 50 рублів. Але у статті майже нічого не було сказано про активні фільтри. Саме час це виправити!

Чим пасивні фільтри відрізняються від активних? Як зібрати схему з топології Саллена-Кі? Якщо вам цікаво дізнатися відповіді на ці питання, ласкаво просимо під кат.

Що таке активний фільтр

Один із способів класифікації частотних фільтрів – за типом елементів у схемотехніці. Усього прийнято розділяти фільтри на пасивні, активні та електромеханічні фільтри. Перші побудовані з урахуванням котушок індуктивності, резисторів і конденсаторів — загалом, пасивних елементів. Інша ситуація з активними фільтрами.

Активні фільтри функціонують у тому числі з урахуванням активних елементів. Найчастіше операційних підсилювачів, транзисторів, а десь у минулому електронних ламп. Перше використовують особливо часто: операційні підсилювачі, як і дискретні транзистори, мають високий рівень продуктивності, а також спрощують синтез схеми фільтра. Тому далі ми говоритимемо саме про активні фільтри на базі операційних підсилювачів.

Простий активний фільтр першого порядку можна зробити, додавши конденсатор в схему, що не інвертує включення операційного підсилювача.

Якщо виключити конденсатор зі схеми, пристрій просто посилюватиме амплітуду сигналу, що подається. Але якщо увімкнути конденсатор, на високих частотах він чинитиме менший опір. В результаті струм "не дійде" до операційного підсилювача і на графіку АЧХ буде спад - активний ФНЧ запрацює!

Графік фільтрованого сигналу за допомогою ФНЧ.

Є й інші "елементарні схеми" активних фільтрів. Розглянемо їх докладніше.

Які бувають активні фільтри

За схемою включення активного компонента фільтри можна розділити на інвертируючі та неінвертуючі.Так можна отримати сигнал як у вихідній фазі, так і протифазі, якщо підключити операційний підсилювач «навпаки».

Схеми першого порядку активних фільтрів операційних підсилювачах. Зверніть увагу: принцип поділу неінвертуючих активних фільтрів на НЧ та ВЧ такий самий, як і для пасивних RC: міняєш конденсатор та резистор місцями – і готове.

Вище приклад фільтрів на різних схемах включення для ФВЧ і ФНЧ. Але активні фільтри, як і пасивні, бувають режекторними та смуговими. Їхні схеми трохи складніші.

Нагадування: АЧХ на виході різних фільтрів.

Наприклад, щоб досягти ефекту смугового фільтра, коли пристрій не пригнічує смугу, а пропускає тільки її, потрібно послідовно з'єднати ФНЧ і ФВЧ. Але це буде широкосмуговий варіант пристрою. Вузькосмугові збираються іншим чином.

Широкосмугова реалізація смугового фільтра.

Що краще – активні чи пасивні фільтри

Не можна сказати, що активні частотні фільтри кращі за пасивні або навпаки. Вибір залежить від конкретного завдання.

Наприклад, активні фільтри використовують у мікроелектроніці, Тому що котушки індуктивності в пасивних фільтрах не сумісні з інтегральними мікросхемами через свої габарити та паразитні властивості. Також активні фільтри значно простіше «масштабувати» до вищих порядків через каскадне включення.

Грубо кажучи, простий активний фільтр - це пасивний фільтр з активним елементом замість котушки індуктивності.

З іншого боку, пасивні фільтри можуть багато з того, що «активним і не снилося». Наприклад, вони не обмежені у смузі пропускання та можуть працювати на дуже високих частотах.Теоретично, пасивні фільтри не обмежені в частотному діапазоні, мають більшу стабільність і можуть працювати з більшими струмами, ніж активні фільтри.

Але це лише основне. Тепер розглянемо інші особливості, які потрібно враховувати під час вибору фільтра.

Особливості фільтрів

Пасивні елементи дешевші. Під час написання статті я натрапив на канал Depo196 – цілу базу знань для любителів аудіосистем та обробки сигналів.

В одному зі своїх відео автор назвав активні фільтри процесорними. І зараз мені здається це неофіційне визначення найбільш підходящим. Адже для випадкового пройдисвіта операційні підсилювачі виглядатимуть не простіше CPU. Крім того, їхня вартість також постійно зростає.

Коли вибрав пасивний фільтр.

*Хоча вартість хорошого пасивного фільтра для сабвуфера може бути високою.

Пасивні фільтри найпростіше проектувати. Проблеми вибору можуть виникнути не тільки у «фінансистів», а й у інженерів. Активні фільтри — особливо високих порядків — більше схильні до помилок проектування, ніж пасивні. Наприклад, через більш складне компонування та розведення елементів на платі. Або через невраховані характеристики операційних підсилювачів: шумів, обмежень смуги пропускання, зсувів.

Активні фільтри посилюють сигнал у смузі пропускання. Це прямий наслідок використання компонентів, які, як і транзистори, посилюють сигнали. З їхньою допомогою можна досягти високого вхідного та низького вихідного імпедансів відповідно.

Тобто активні фільтри можна використовувати як «прошарку» між двома пристроями. Коли перше віддає на фільтр зашумлений сигнал з високим імпедансом, а друге приймає відфільтрований сигнал з низьким імпедансом.На пасивному фільтрі можна досягти схожого ефекту, якщо підключити, наприклад, буферний підсилювач.

Для роботи активних елементів потрібно використовувати джерело живлення. однополярній або двополярній. Вибір залежить від того, який сигнал потрібно відфільтрувати. Наприклад, для фільтрації знакозмінного сигналу потрібно двополярне живлення, тому що він знаходиться в позитивній та негативній областях амплітуд.

Характеристики та параметри активних фільтрів

Активні фільтри мають ідентичний набір характеристик і параметрів. Їх можна оцінювати за нахилом АЧХ, підсумковою частотою зрізу, нерівномірності АЧХ, відношенню вхідного та вихідного опорів та ослаблення у смузі затримок. З усіма ключовими параметрами можна ознайомитись за посиланням.

Фільтри – пристрої на базі мінімально-фазових ланцюгів. Їхні АЧХ і ФЧХ жорстко пов'язані і безпосередньо не залежать від того, активний фільтр або пасивний.

Особливо важливою характеристикою будь-якого фільтра є його порядок, який можна отримати каскадним з'єднанням фільтрів менших порядків. Як і у випадку з пасивними фільтрами, чим більше порядок n, тим крутіше зріз. Ви можете перевірити це самі, розрахувавши передатну функцію для фільтра Баттерворта вздовж частотного діапазону.

Вибір фільтра за методикою

Щоб розрахувати будь-який фільтр великого порядку за заданими умовами, застосовують спеціальні методики. Серед них – формули на базі поліномів Баттерворта та Чебишева, функцій Бесселя, Кауера. І насправді, вибираючи конкретну методику, ви обираєте конкретний фільтр.

Фільтр Баттерворта - дозволяє отримати найбільш довгу в смузі пропускання і плавно спадаючий за частотою зрізу "ділянка" сигналу.Якщо подати на вхід ступінчастий вхідний сигнал, перехідна характеристика матиме коливальний характер, який посилюється зі збільшенням порядку.

Фільтр Чебишева — АЧХ спадає крутіше за частотою зрізу. Однак у смузі пропускання вона не монотонна, а має хвилеподібний характер із постійною амплітудою. Коливання перехідного процесу при ступінчастому вхідному вплив сильніше, ніж у фільтра Баттерворт.

Еліптичний фільтр (фільтр Кауера) — АЧХ виражена рівномірними флуктуаціями як у смузі пропускання, і у смузі загородження. Спад АЧХ цього фільтра є найбільш крутим у порівнянні з фільтрами інших типів. Передатна функція ФНЧ має нулі у чисельнику.

Фільтр Бесселя — має гарну перехідну характеристику і крутий спад. Причина пропорційність фазового зсуву вихідного сигналу частоті вхідного сигналу.

Приклади АЧХ ФНЧ четвертого порядку. 1 – фільтр критичного згасання, 2 – фільтр Бесселя, 3 – фільтр Баттерворта, 4 – фільтр Чебишева з нерівномірністю 3дБ, 5 – еліптичний фільтр з нерівномірністю у смузі пропускання 2дБ та максимумом пульсацій у смузі придушення – 50 дБ.

Щоб зрозуміти теорію розрахунку фільтрів, рекомендую почитати книгу «Аналогові та цифрові фільтри». Якщо хочете потонути в поліномах, аналітичних обчисленнях, комплексних розрахунках, зберігайте в закладки.

Спробуємо синтезувати та зібрати активний ФНЧ Баттерворта другого порядку. Це найбільш рівномірний у смузі пропускання фільтр, хоч і не найкращий по крутості зрізу.

Синтез фільтра Баттерворта з топології Саллена-Кі

У нашій задачі не потрібно, щоб активний фільтр посилював сигнали. Тому розрахуємо його за топологією Саллена-Кі, яка дозволяє враховувати коефіцієнт посилення.

Активний ФНЧ другого порядку з топології Саллена Кі.

Коефіцієнт посилення α дорівнює одиниці (сигнал не посилюється) і забезпечується негативним зворотним зв'язком, який сформований за допомогою дільника напруги [(α-1)R3, R3]. Позитивний зворотний зв'язок обумовлений наявністю конденсатора C2. В результаті передавальна функція набуває вигляду:

Перед розрахунком номіналів елементів потрібно вибрати значення хоча б однієї ємності. Наприклад, можна прийняти C1 = 100 пФ. Тоді можна знайти опори R1 та R2, а також ємність C2.

Щоб значення R1 та R2 були дійсними, повинна виконуватися така умова:

a та b - коефіцієнти полінома передавальної функції. Їх можна підібрати за допомогою спеціальної таблиці.

Після визначення коефіцієнтів можна розрахувати ємність C2 та опору R1 та R2. Як fc приймаємо частоту зрізу, де фільтр повинен «обрубувати» сигнал. Нехай це буде 4 МГц.

Тепер фільтр можна змоделювати в будь-якій зручній системі проектування, наприклад Multisim або Proteus, і перевірити схему на життєздатність.

Proteus, важлива схема каскаду фільтра Баттерворта на операційному підсилювачі.

Симуляція фільтру, АЧХ.

Супер-фільтр відпрацював коректно, вдалося отримати зріз на частоті 4 МГц. Перепад на 2 МГц можна не враховувати, тому що його величина становить близько 0,63 дБ.

Перевірка фільтра практично

Для складання та перевірки фільтра знадобиться блок живлення, генератор гармонійних коливань та осцилограф, підключений до виходів фільтра. Якщо ви маєте аналізатор ланцюгів, можна використовувати його.

Для роботи фільтра необхідне двополярне живлення. Його можна отримати, використовуючи імпульсний стабілізатор напруги, що інвертує, на ІМС.

Інвертуючий імпульсний стабілізатор напруги (ІДН) перетворює позитивну напругу на негативне щодо землі. Так на ФНЧ можна подати два «плюс» безпосередньо, а «мінус» через ІСН.

Зібраний активний ФНЧ Баттерворт другого порядку.

Осцилограф підключено до виходу фільтра. Для перевірки ФНЧ спостереження проводилися зі збільшенням частоти сигналу. При цьому видно, як його амплітуда згасає.

Готово - у нас вдалося досягти зрізу на частоті 4 МГц, активний ФНЧ Баттерворта працює.

Можливо, ці тексти також вас зацікавлять:

• selectel
• радіотехніка
• електротехніка
• частотні фільтри
• схемотехніка
• приймачі
• операційні підсилювачі
• аудіосистеми
• передача сигналів