ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в автохозяйствах для определения правильности регулировки системы питания автомобилей с дизельными двигателями по оптической плотности отработавших газов.

Известен дымомер, содеpжащий источник света, измерительный и контрольный фотоприемники, две камеры, разделенные дымоходом и снабженные смотровыми окнами и трубками для прохода света к контрольному фотоприемнику, воздухоподводящую трубку, соединяющую камеры между собой и расположенную между источником света и контрольным фотоприемником, при этом выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам блока сравнения, выходными сигналами которого запускаются сигнализаторы, первый из которых информирует о превышении установленной плотности дыма, а второй сигнализатор о недопустимом загрязнении смотровых окон.

Недостатком этого дымомера является ухудшение его точности из-за разброса характеристик применяемых фотоприемников.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является измеритель дымности, который содержит измерительную камеру, сопряженную с помощью диффузора с пробоотборной трубой, источник излучения и фотоприемник, расположенные на одной стороне измерительной камеры, и зеркало, расположенное на ее противоположной стороне.

Недостатком данного измерителя является ухудшение точности с течением времени из-за загрязнений светопропускающих поверхностей камеры.

На чертеже приведена схема устройства.

Работа предложенного устройства заключается в следующем.

Перед началом измерения дымности пробоотборную трубу 1 подсоединяют к выхлопной трубе дизеля. Отработавшие газы по пробоотборной трубе 1 направляются в диффузор 2, а затем в измерительный отсек 3 камеры 4. Температура газов в измерительном отсеке 3 камеры 4 контролируется датчиком температуры 5. Электрический сигнал, пропорциональный температуре газов в камере, усиливается в усилителе 6 и подается на первый информационный вход мультиплексора 7. В этом режиме мультиплексор 7 обеспечивает передачу сигнала, сформированного датчиком температуры 5, на вход аналого-цифрового преобразователя 8. Цифровой код, выработанный преобразователем 8, с помощью демультиплексора 9 подается на первый вход микропроцессора 10, В микропроцессоре этот цифровой код проходит через соответствующий регистр памяти и поступает в блок 11 индикации для отображения на его экране температуры газов в камере. Как только температура газов будет лежать в диапазоне, необходимом для измерения дымности, оператор с помощью блока 12 управления задает команду в микропроцессор 10, по которой осуществляется формирование управляющих сигналов, а цифровой код, пропорциональный температуре газов, запоминается в соответствующем регистре памяти. Один из управляющих сигналов, выработанных в микропроцессоре 10, обеспечивает переключение мультиплексора 7, второй переключение демультиплексора 9.

В этом режиме работы световое излучение источника 13, сформированное оптической системой 14, подается на оптический коммутатор 15. Оптический коммутатор 15 может быть выполнен, например в виде управляемого зеркала, которое под воздействием управляющего сигнала, подаваемого на вход привода 16, например электромагнитного, разворачивается от исходного положения на угол 90^о. В рассматриваемом режиме оптический коммутатор 15 занимает исходное положение и направляет излучение в контрольный отсек 17 камеры 4 через наклонное зеркало 18 и защитное стекло 19 для просвечивания в нем через окно 20 атмосферного воздуха. Пройдя через окно в верхней стенке контрольного отсека 17 камеры 4, излучение отражается от зеркала 21, просвечивает в обратном направлении атмосферный воздух этого отсека и через защитное стекло 19 направляется на наклонное зеркало 22, отражается от него и, пройдя интерференционный фильтр 23, с помощью приемной оптической системы 24 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 25. В рассматриваемом случае световое излучение не имеет контакта с отработавшими газами. Поэтому это излучение является контрольным, а его поток, принимаемый фотоприемником 25, пропорционален пропусканию оптического тракта.

Если известны спектральная сила i_λ излучения источника 13, коэффициент η пропускания оптического тракта, относительные спектральные характеристики S_λф и S_λфи интерференционного фильтра 23 и фотоприемника 25, то амплитуда U_к контрольного сигнала на выходе фотоприемника будет равна
U_к ε_oηω₁ I_o (1) где I_o i_λSSdλ сила излучения в спектральном диапазоне [λ₁,λ₂] работы прибора;
ε_o интегральная чувствительность фотоприемника;
ω₁ угол охвата формирующей оптической системы в стерадианах.

Выходной сигнал фотоприемника 25 подается на предусилитель 26, а затем после усиления на второй информационный вход мультиплексора 7. На этот раз мультиплексор 7 под воздействием управляющего сигнала, выработанного в микропроцессоре 10, подает усиленный сигнал фотоприемника на аналого-цифровой преобразователь 8 для преобразования его амплитуды в цифровой код. Цифровой код, пропорциональный амплитуде U_к контрольного сигнала, поступает далее на соответствующий информационный вход демультиплексора 9, который передает этот код в микропроцессор 10, где и запоминается в соответствующих ячейках памяти.

Затем оператор через блок 12 управления задает команду "измерение" в микропроцессор 10. По этой команде в микропроцессоре 10 вырабатываются соответствующие сигналы, по которым осуществляется переключение оптического коммутатора 15 и демультиплексора 9. В этом режиме световое излучение источника 13, в качестве которого может быть использована лампа, формирующей оптической системой 14 преобразуется в параллельный пучок и поступает на оптический коммутатор 15. В этом режиме оптический коммутатор 15 направляет излучение в измерительные отсек 3 камеры 4 через наклонное зеркало 27, защитное стекло 19 и отверстие 28 в нижней стенке 29 этого отсека для просвечивания в нем отработавших газов. Далее это излучение через отверстие 30 в верхней стенке 31 измерительного отсека 3 камеры 4 направляется на зеркало 21, отражается от него в направлении отверстия 30, проходит через него, просвечивает отработавшие газы и через отверстие 32 в нижней стенке 29 измерительного отсека 3 камеры 4 и защитное стекло 19 попадает на наклонное зеркало 22, отражается от него и, пройдя интерференционный фильтр 23, с помощью приемной оптической системы 24 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 25. Так как дымность отработанных газов должна измеряться в видимой области спектра, спектральная характеристика оптического тракта формируется аналогичной кривой чувствительности глаза с помощью спектральных характеристик интерференционного фильтра и фотоприемника.

По аналогии с выражением (1) амплитуда U_из измерительного сигнала на выходе фотоприемника 25 может быть определена по формуле
U_из ε_oηω₁ I_o (1 K_э) (2)
Выходной сигнал фотоприемника 25 после усиления в предусилителе 26 через мультиплексор 7 подается на аналого-цифровой преобразователь 8, где преобразуется в цифровой код, пропорциональный амплитуде U_изизмерительного сигнала. Выработанный цифровой код через демультиплексор 9 подается на соответствующий вход микропроцессора 10. В микропроцессоре 10 для данной температуры Т_о отработавших газов вычисление дымности осуществляется в соответствии с выражением
K_до= (U_к U_из)/U_к (3)
Справедливость формулы (3) вытекает из равенств (1) и (2).

Так как дымность отработавших газов зависит от фотометрической базы и температуры, в микропроцессоре 10 осуществляется пересчет полученных показаний дымности.

Если дымность К_до измерена при температуре Т_о, то для температуры Т она будет равна
К_д К_д ˙К_т, (4) где К_т (273 + Т)/(273 + Т_о) поправочный температурный коэффициент.

Дымность К_д связана с фотометрической базой l и коэффициентом поглощения α следующим равенством:
К_д exp (-α l) (5)
Если при фотометрической базе l дымность К_д измеряется с точностью l < l_тр, то, как это следует из формулы (5), дымность К_дтр при требуемой фотометрической базе l_тр будет равна
K_дтр K_д^lтр^/l (1 ± δ)^lтр/l (6)
Из полученного выражения (6) следует, что, если используется в приборе фотометрическая база l < l_тр, то при пересчете результата измерения на требуемую фотометрическую базу l_тр ошибка измерения увеличивается в l_тр/l раз. Таким образом, при прочих равных условиях точность измерения тем выше, чем меньше фотометрическая база l отличается от требуемой. Поэтому в предложенном устройстве величина фотометрической базы выбрана равной требуемой, а за счет использования отражающего зеркала 21 удается уменьшить габаритные размеры прибора и его массу.

В микропроцессоре 10 с помощью формулы (4) осуществляется приведение показаний прибора к заданной температуре Т. Полученный результат подается в блок 11 для индикации показаний дымности.

Использование в приборе требуемого значения фотометрической базы и поправочного температурного коэффициента позволяет значительно повысить точность измерения дымности.

Если бы в устройстве использовались два фотоприемника для приема контрольного и измерительного потоков соответственно, потребовалось бы использовать и два интерференционных фильтра. Все это вместе взятое привело бы к удорожанию прибора, а также к возникновению дополнительной ошибки из-за разброса параметров фотоприемников и интерференционных фильтров. При использовании же одного фотоприемника технологические, температурные и другие дестабилизирующие факторы не вносят ошибок в измерение дымности.

Для защиты оптических элементов 19 и 21 от загрязнений в устройстве формируются два воздушных потока, первый из которых проходит через отверстия 28 и 32, а второй через отверстие 30. Центры этих отверстий должны лежать в плоскости, перпендикулярной потоку отработавших газов. Формирование воздушных потоков происходит следующим образом. Отработавшие газы, прошедшие пробоотборную трубу 1, за счет высокой скорости и мгновенного расширения в диффузоре 2 создают разрежение у отверстий 28, 30 и 32, а следовательно, и у отверстий 33 и 34. Через отверстия 33 и 34 осуществляется подсос атмосферного воздуха и формирование двух воздушных потоков, которые через отверстия 28, 32 и 30 смешиваются с потоком отработавших газов, препятствуя попаданию сажи на защитное стекло 19 и зеркало 21.

Анализ предложенного устройства показывает, что его применение позволяет; повысить точность измерения дымности; уменьшить габариты и массу прибора; исключить влияние нестабильностей параметров фотоприемника на результаты измерения; обеспечить защиту оптических элементов от загрязнений.

Использование: измерительная техника, например определение правильности регулировки системы питания автомобилей с дизельными двигателями по оптической плотности отработавших газов. Сущность изобретения: устройство для измерения дымности включает в себя пробоотборную трубу, диффузор с двумя отверстиями для подсоса атмосферного воздуха, измерительную камеру, состоящую из двух отсеков, где в верхней и нижней стенках измерительного отсека выполнены три отверстия, а в противолежащих стенках контрольного отсека два окна, датчик температуры, усилитель, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор, микропроцессор, блок индикации, блок управления, источник излучения, формирующую оптическую систему, оптический коммутатор с приводом, три наклонных зеркала, защитное стекло, плоское зеркало, интерференционный фильтр, приемную оптическую систему и фотоприемник с предусилителем. 1 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ, включающий камеру, сопряженную с пробоотборной трубой через диффузор, источник излучения и фотоприемник, расположенные на одной стороне камеры, и плоское зеркало, расположенное на ее противоположной стороне, при этом фотоприемник соединен с фоторегистрирующей схемой, отличающийся тем, что в него введены оптический коммутатор с приводом для формирования измерительного оптического тракта и контрольного оптического тракта, датчик температуры с усилителем, а камера разделена на два отсека, один из которых измерительный, другой контрольный, при этом с пробоотборной трубой соединен измерительный отсек камеры, датчик температуры установлен в измерительном отсеке камеры, измерительный оптический тракт включает в себя оптически сопряженные первое наклонное зеркало, в свою очередь оптически сопряженное с оптическим коммутатором, защитное стекло, установленное в корпусе камеры, первую диафрагму, вторую диафрагму, плоское зеркало, третью диафрагму и второе наклонное зеркало, оптически сопряженное с фотоприемником, контрольный оптический тракт включает в себя оптически сопряженные третье наклонное зеркало, в свою очередь оптически сопряженное с оптическим коммутатором, защитное стекло, установленное в корпусе камеры, плоское зеркало и второе наклонное зеркало, оптически сопряженное с фотоприемником, первая и третья диафрагмы выполнены в виде отверстий в первой стенке относительно источника излучения измерительного отсека камеры, вторая диафрагма в виде отверстия во второй стенке относительно источника излучения измерительного отсека камеры, в стенках диффузора выполнены для подсоса атмосферного воздуха, а фоторегистрирующая схема содержит последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор и микропроцессор, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, первый выход к входу блока индикации, второй выход к приводу оптического коммутатора, третий выход к управляющему входу демультиплексора, четвертый выход к управляющему входу мультиплексора, первый информационный вход которого соединен с выходом усилителя, а второй информационный вход через предусилитель с выходом фотоприемника.