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 фотоэлектрический дымомер [1] в котором в целях обеспечения непрерывной работы устройства в условиях интенсивного воздействия загрязняющих частиц на смотровые окна, а также влияния других различных дестабилизирующих факторов на точность измерения используется двухканальное устройство два световых потока: измерительный и контрольный.

Недостатком этого устройства является влияние загрязнений на результаты анализа.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является дымомер [2] который содержит 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 о недопустимом загрязнении смотровых окон.

Необходимость использования двух фотоприемников приводит к тому, что из-за разброса их характеристик ухудшается точность измерения дымности, что является недостатком данного устройства.

Для устранения этого недостатка в предложенном устройстве применяют один фотоприемник, а излучение от источника света к фотоприемнику направляют с помощью оптического коммутатора либо через наклонное зеркало и первый отсек измерительной камеры, заполненной исследуемой газовой смесью, либо через второй отсек, свободный от этой смеси, а для обработки сигналов фотоприемника используют один и тот же электронный тракт, включающий усилитель, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор и микропроцессор.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения дымности отработавших газов дизеля.

Устройство для измерения дымности содержит источник 1 света, формирующую оптическую систему 2, оптический коммутатор 3 с приводом 4, наклонное зеркало 5, защитные стекла 6 и 7, камеру 8, состоящую из двух отсеков 9 и 10, первый из которых измерительный, второй контрольный, в нижней 11 и верхней 12 стенках измерительного отсека выполнены отверстия 13 и 14, интерференционный фильтр 15, приемную оптическую систему 16, фотоприемник 17 с усилителем 18, датчик 19 температуры, размещенный в измерительном отсеке 9 камеры 8, усилитель 20, мультиплексор 21, аналого-цифровой преобразователь 22, демультиплексор 23, микропроцессор 24, блок 25 управления, блок 26 индикации, диффузор 27, обеспечивающий сопряжение камеры 8 с трубопроводом 28, связанным с выхлопной трубой дизеля, при этом в диффузоре 27 выполнены два отверстия 29 и 30, обеспечивающие защиту от загрязнений защитных стекол 6 и 7 с помощью засасывания из атмосферы воздуха, протекающего через отверстия 13 и 14, которые служат для прохождения светового излучения при просвечивании отработавших газов дизеля в измерительном отсеке 9 камеры 8.

Поясним работу предложенного устройства.

Перед началом измерения дымности трубопровод 28 подсоединяют к выхлопной трубе дизеля. Отработавшие газы по трубопроводу 28 направляются через диффузор 27 в измерительный отсек 9 камеры 8. Температура газов в измерительном отсеке 9 камеры 8 контролируется датчиком 19 температуры. Электрический сигнал, пропорциональный температуре газов в камере, усиливается в усилителе 20 и подается на первый информационный вход мультиплексора 21. В этом режиме мультиплексор 21 обеспечивает передачу сигнала, сформированного датчиком 19 температуры, на вход аналого-цифрового преобразователя 22. Цифровой код, выработанный преобразователем 22, с помощью демультиплексора 23 подается на первый вход микропроцессора 24. В микропроцессоре 24 этот цифровой код проходит через соответствующий регистр памяти и поступает в блок 26 для индикации температуры газов. Как только температура газов будет лежать в диапазоне, необходимом для измерения дымности, оператор с помощью блока 25 управления задает команду на микропроцессор 24, по которой цифровой код, пропорциональный температуре газов, запоминается в соответствующем регистре, а также осуществляется формирование трех управляющих сигналов. Первый из этих сигналов обеспечивает переключение мультиплексора 21, второй переключение демультиплексора 23, а третий переключение оптического коммутатора 3.

Оптический коммутатор 3 представляет собой диск, одна часть которого пропускает световое излучение, а другая часть отражает его. Под воздействием управляющего сигнала, поступающего на вход привода 4 (например, электромагнитного), оптический коммутатор 3 отражает излучение источника 1, сформированное оптической системой 2, в направлении на защитное стекло 6. Далее световое излучение через защитное стекло 6 попадает в контрольный отсек 10 камеры 8, обеспечивающий оптическое сопряжение защитного стекла 6 с защитным стеклом 7.

После прохождения защитного стекла 7 и интерференционного фильтра 15 световое излучение с помощью приемной оптической системы 16 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 17. Как видно из изложенного, в рассматриваемом случае световое излучение не имеет контакта с отработавшими газами. Поэтому это излучение является контрольным, а его поток, принимаемый фотоприемником 17, пропорционален пропусканию оптического тракта.

Если известны спектральная сила излучения i_λ источника 1, коэффициент η пропускания оптического тракта, относительные спектральные характеристики S_λф и S_λфп интерференционного фильтра 15 и фотоприемника 17, то амплитуда U_к сигнала на выходе фотоприемника будет равна
U_К ε_oηω₁I_o, (1) где I_o= i_λS_λфS_λфпdλ сила излучения в спектральном диапазоне [λ₁,λ₂] работы устройства; ε_o интегральная чувствительность фотоприемника; ω₁ угол охвата формирующей оптической системы 2 в стерадианах.

Выходной сигнал фотоприемника 17 подается на усилитель 18, а затем на второй информационный вход мультиплексора 21. На этот раз мультиплексор 21 под воздействием управляющего сигнала, выработанного в микропроцессоре 24, подает усиленный сигнал фотоприемника 17 на аналого-цифровой преобразователь 22 для преобразования его амплитуды в цифровой код. Цифровой код, пропорциональный амплитуде U_к сигнала, подается на соответствующий информационный вход демультиплексора, который передает этот код в микропроцессор, где запоминается в соответствующих ячейках памяти.

Затем оператор через блок 25 управления задает команду "Измерение" в микропроцессор 24. По этой команде в микропроцессоре 24 вырабатываются соответствующие сигналы, по которым осуществляется переключение оптического коммутатора 3 и демультиплексора 23. В этом режиме световое излучение источника 1, в качестве которого может быть использована лампа, формирующей оптической системой 2 преобразуется в параллельный пучок, который, пройдя через оптический коммутатор 3 и отражаясь от наклонного зеркала 5, через защитное стекло 6 и отверстие 13 в нижней стенке 11 направляется в измерительный отсек 9 камеры 8 для просвечивания в нем отработавших газов. Далее это излучение через отверстие 14 в верхней стенке 12 измерительного отсека 9 камеры 8 направляется на защитное стекло 7, проходит через него и интерференционный фильтр 15, а затем с помощью приемной оптической системы 16 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 17. Так как дымность должна измеряться в видимой области спектра, спектральная характеристика оптического тракта с помощью интерференционного фильтра 15 и спектральной характеристики фотоприемника 17 выполняется аналогичной кривой чувствительности глаза.

Если К_д дымность отработавших газов, то по аналогии с выражением (1) амплитуда U_из сигнала на выходе фотоприемника 17 может быть определена по формуле
U_из ε_oηω₁ I_o (1 К_д) (2)
Выходной сигнал фотоприемника 17 после усиления в усилителе 18 через мультиплексор 21 подается в аналого-цифровой преобразователь 22, где он преобразуется в цифровой код. Выработанный цифровой код, пропорциональный амплитуде U_из сигнала, через демультиплексор 23 подается на соответствующий вход микропроцессора 24. В микропроцессоре 24 для данной температуры Т_о отработавших газов вычисление дымности осуществляется в соответствии с выражением
K= (3)
Справедливость формулы (3) вытекает из равенств (1) и (2).

Так как дымность отработавших газов зависит от фотометрической базы и температуры, в микропроцессоре 24 осуществляют перерасчет полученных показаний дымности.

Если дымность К_до измерена при температуре Т_о, то для температуры Т она будет равна
К_д К_до˙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 требуемая фотометрическая база l_тр отличается от фотометрической базы l, используемой в устройстве, то при пересчете дымности следует воспользоваться выражением
К=К_д^lтр^/l (6) С учетом (4) формула (6) приводится к виду
К_дтр=(К_д˙К_т)^lтр^/l (7)
В микропроцессоре 24 с помощью формулы (7) осуществляется приведение показаний прибора к заданной температуре Т и фотометрической базе l_тр. Полученный результат подается в блок 26 для индикации показаний дымности. Введение температурного поправочного коэффициента повышает точность прибора, а использование фотометрической базы l, меньшей l_тр, с последующим приведением показаний к требуемому значению фотометрической базы дает возможность уменьшить габаритные размеры измерительной камеры и ее массы, а следовательно, и всего прибора в целом.

Для защиты стекол 6 и 7 от загрязнений в устройстве формируются два воздушных потока, проходящих соответственно через отверстия 13 и 14, оптически сопряженные с защитными стеклами 6 и 7. Формирование этих потоков происходит следующим образом. Отработавшие газы, прошедшие по трубопроводу 28, за счет высокой скорости и мгновенного расширения в диффузоре 27 создают разрежение у отверстий 29 и 30. Через эти отверстия осуществляется подсос атмосферного воздуха и формирование двух потоков, протекающих через отверстия 13 и 14 первого отсека 9 измерительной камеры 8.

Если бы в устройстве использовались два фотоприемника для приема контрольного и измерительного потоков соответственно, то при разбросе спектральных характеристик фотоприемников и интерференционных фильтров (технологические отклонения, разброс из-за изменений температуры, старения и т.п.) возникает погрешность ΔК_д в измерении дымности
ΔK_д= (1-K). (8)
Как видно из формулы (8), чем больше разброс параметров фотоприемников и интерференционных фильтров, тем значительней ошибка измерения дымности. При использовании же одного фотоприемника технологические, темпеpатурные и другие нестабильности в спектральных характеристиках фотоприемника и интерференционного фильтра не вносят ошибок в измерение дымности.

Из изложенного следует, что применение предложенного устройства позволяет уменьшить габариты и массу прибора; повысить точность измерения; исключить влияния нестабильности спектральной характеристики фотоприемника на результаты измерений дымности.

Использование: в измерительной технике, например в автохозяйствах для определения правильности регулировки системы питания автомобилей с дизельными двигателями по оптической плотности отработавших газов. Сущность изобретения: устройство содержит источник света, формирующую оптическую систему, оптический коммутатор с приводом, наклонное зеркало, два защитных стекла, измерительную камеру, состоящую из двух отсеков причем в нижней и верхней стенках измерительного отсека выполнены отверстия, интерференционный фильтр, приемную оптическую систему, фотоприемник с усилителем, датчик температуры, размещенный в измерительном отсеке камеры, усилитель сигнала датчика, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, демультиплексор, микропроцессор, блок управления, блок индикации, диффузор, обеспечивающий сопряжение камеры с пробоотборным трубопроводом, связанным с выхлопной трубой дизеля, при этом в диффузоре выполнены два отверстия, обеспечивающие защиту от загрязнений защитных стекол с помощью засасывания из атмосферы воздуха, протекающего через отверстия в верхней и нижней стенках измерительного отсека камеры, служащие для прохождения светового излучения при просвечивании отработавших газов дизеля. 1 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ, включающий камеру, сопряженную с пробоотборной трубой через диффузор, источник излучения, два защитных стекла, 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 наклонное зеркало, оптически сопряженное с оптическим коммутатором, первое защитное стекло, установленное в корпусе камеры, первую и вторую диафрагмы и второе защитное стекло, установленое в корпусе камеры, оптически сопряженное с фотоприемником, контрольный оптический тракт включает в себя оптически сопряженные первое защитное стекло, установленное в корпусе камеры, сопряженное оптически с оптическим коммутатором, второе защитное стекло, установленное в корпусе камеры, оптически сопряженное с фотоприемником, первая и вторая диафрагмы выполнены в виде отверстий соответственно в первой и второй относительно источника излучения стенках измерительного отсека камеры, в стенках диффузора выполнены отверстия для подсоса атмосферного воздуха, одно из которых расположено между защитным стеклом и первой стенкой измерительного отсека камеры, другое между второй стенкой измерительного отсека камеры и защитным стеклом, 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.