СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ Российский патент 1996 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к автоматическому контролю содержания пыли и может быть использовано для управления топками тепловых электростанций, котельных и других термических установок, в которых сжигается уголь или мазут, а также для управления вентиляцией и пылеулавливанием на различных предприятиях.

Известен способ автоматического контроля содержания пыли в атмосфере, включающий просвечивание контролируемого объема атмосферы электромагнитным излучением, регистрацию интенсивностей падающего и прошедшего излучения, по которым определяют содержание пыли [1]
Недостатком известного способа является влияние флуктуаций содержаний CH₄, CO, CO₂, SO₂ и NO₂, а также влияние перераспределений содержаний угольной известняковой и песчаниковой пыли.

Известен способ автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности I_п прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, в котором дополнительно регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,0 6,8 мкм, а для определения концентрации пыли в качестве интенсивности прошедшего инфракрасного излучения используют сумму интенсивностей прошедшего излучения в этих двух спектральных диапазонах, при этом ширины спектральных диапазонов просвечивания и соответствующие интенсивности просвечивающего излучения выбирают из условия равенства интенсивностей прошедшего излучения в этих спектральных диапазонах [2]
Недостатками известного способа являются низкая точность, связанная с сильными влияниями изменений интенсивности потока инфракрасного излучения от источника, загрязнений окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры контролируемого объема атмосферы.

Целью изобретения является повышение точности за счет одновременного устранения влияния изменений интенсивности потока инфракрасного излучения, загрязнения окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры отработавших газов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающем просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности I_п прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения I_p в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей I_p/I_п.

Основной изобретательский акт при создании нового способа состоит в преодолении технического противоречия. Сущность противоречия заключается в следующем. Для устранения влияния одного возмущающего действия при обычном инженерном проектировании вводят корректирующий сигнал об этом возмущающем действии. Но при этом усложняется измерение и падает надежность по внезапным отказам. Для устранения влияния трех возмущающих действий нужно ввести три корректирующих сигнала, что приведет к усложнению измерений в 4 раза: одно измерение основного сигнала и три измерения трех корректирующих сигналов. В новом способе это техническое противоречие преодолено: за счет измерения одного отношения одновременно устранены влияния изменений интенсивности излучения от источника, влияния загрязнений окон источника и фотоприемника, а также влияние изменений температуры дыма. Кроме того, в новом способе увеличена чувствительность к общему содержанию пыли в отработавших газах. Для преодоления противоречия существенны все отличительные признаки способа: 1) регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, 2) определяют величину отношения интенсивностей прошедшего и рассеянного вперед инфракрасного излучения I_p/I_п в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, 3) по величине отношения интенсивностей рассеянного вперед и прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм судят об общем содержании пыли в отработавших газах. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из этих трех признаков, то техническое противоречие не будет преодолено, то есть не будет достигнута поставленная цель. Необходимость и достаточность всех трех отличительных признаков для достижения поставленной цели однозначно следует из приводимого ниже описания нового способа. Ни один из этих трех признаков неизвестен даже по отдельности сам по себе. Тем более неизвестно применение любого из этих признаков для преодоления технического противоречия. Поэтому, по мнению авторов совокупность трех отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показаны спектры ослабления (поглощения) инфракрасного излучения (далее ИК-излучения) влагой H₂O, CO, CH₄, N₂O, O₃, CO₂, HDO и солнечный спектр ИК-излучения;
на фиг.2 зависимости коэффициентов ослабления ИК-излучения угольной пылью (кривая 1), известняковой пылью (кривая 2) и песчаниковой пылью (кривая 3);
на фиг.3 приведены зависимости интенсивностей прошедшего I_п и рассеянного вперед I_p ИК-излучения через слой дыма толщиной d от общего содержания пыли С_п в отработавших газах;
на фиг.4 показана зависимость отношения η_п= I_p/I_п от C_п при 0≅C_п≅170 г/м³;
на фиг.5 зависимость отношения η_п= I_p/I_п от C_п при 170 г/м³≅C_п≅340 г/м³;
на фиг. 6 показаны зависимости относительных чувствительностей прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения к содержанию C_п от самого содержания C_п, а также зависимость относительной чувствительности отношения от C_п.

Способ автоматического контроля общего содержания пыли C_п в отработавших газах реализуется следующей последовательностью операций.

Контролируемый слой дыма толщиной d просвечивают ИК-излучением.

Регистрируют интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения I_п в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм.

Регистрируют интенсивность рассеянного вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения I_p в том же диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм.

Определяют величину отношения зарегистрированных интенсивностей η_п= I_p/I_п.

По величине отношения зарегистрированных интенсивностей η_п определяют общее содержание пыли в дыме C_п по формуле , где a_п и b_п градуировочные коэффициенты.

Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.

Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения I_п экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли в дыме C_п по формуле
I_п I_опexp(-K_пdC_п), (1)
где I_оп интенсивность прошедшего ИК-излучения при С_п 0; K_п коэффициент ослабления ИК-излучения пылью. Если d измеряется в метрах (м), а содержание C_п измеряется в г/м³, то для получения безразмерного произведения K_пC_пd коэффициент K_п необходимо выразить в м²/г.

Интенсивность рассеянного в направлении вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения I_p изменяется с изменением C_п по формуле
I_p= I_op+σ_пdC_пexp(-K_pC_пd), (2)
где I_op интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при C_п 0; σ_п коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, K_p - коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью. Если C_п измеряется в г/м³, a d в м, то σ_p и К_р (как и К_п) выражаются в м²/г.

Чтобы обеспечить независимость интенсивностей I_п и I_p от влияния изменений влаги, СО, CO₂, других газов в дыме, а также от изменений содержаний песчаниковой C_пс и известняковой C_и пыли (то есть устранить влияние перераспределений содержаний угольной C_y, песчаниковой C_пс и известняковой C_и пыли при C_п C_y + C_пс + C_и const) нужно выбрать соответствующим образом диапазон длин волн ИК-излучения. Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения газовыми компонентами дыма и, кроме того, коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной, известняковой и песчаниковой пылью равны между собой. Поэтому диапазон длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм является оптимальным.

Из показанных на фиг.3 зависимостей I_п f(C_п) и I_p f₁(C_п) видно, что с ростом С_п первая интенсивность I_п экспоненциально уменьшается. С ростом C_п интенсивность I_p растет в диапазоне изменений C_п от 0 до С_пmax, когда (+K_PC_пmaxd) 1, то есть когда C_пmax (K_pd)^-1.

В этом диапазоне изменений C_п от 0 до С_пmax (K_pd)^-1 величина отношения интенсивностей
η_п= [I_op+σ_пdC_пexp(-K_pdC_п)][J_опexp(-K_пdC_п)]^-1 (3)
плавно растет с ростом С_п, что и показано на фиг.4 и фиг.5. Видно, что зависимость η_п= f₂(C_п) идет более круто, чем зависимости I_п f(C_п) или I_p f₁(C_п).

Чтобы оценить выигрыш в увеличении чувствительности отношения S_o к общему содержанию пыли C_п против соответствующих чувствительностей прошедшего S_п и рассеянного вперед S_p ИК-излучения к С_п при регистрации соответственно I_п или I_p определим сами эти чувствительности.

Относительная чувствительность к C_п интенсивности прошедшего ИК-излучения I_п по абсолютному изменению общего содержания C_п из (1) запишется в виде:
(4) и не зависит от изменений C_п.

Относительная чувствительность к С_п интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения I_p по абсолютному изменению содержания C_п из 2 запишется в виде
(5)
Относительная чувствительность величины отношения η_п к C_п из (3) запишется в виде
(6)
Графики зависимостей S_п, S_p и S_o от C_п приведены на фиг.6. Видно, что относительная чувствительность к содержанию C_п величины отношения S_o в пределах концентраций 0<C_п<S_пmax является наибольшей.

Анализ формулы (3) показывает, что одинаковые относительные изменения интенсивностей I_p и I_п (во сколько бы раз одновременно они не изменялись) не приводят ни к малейшим изменениям η_п. Поэтому величина отношения η_п никак не изменится ни от изменения интенсивности от источника излучения, ни от загрязнения окон источника или фотоприемника, ни от изменений температуры отработавших газов, так как любая из этих трех причин приводит к одинаковым относительным изменениям обоих интенсивностей I_п и I_p.

Зависимость η_п= f₂(C_п) по формуле (3) представляет собой трансцендентной уравнение, из которого в явном виде C_п не определяется, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким численным методам решения уравнения (3) относительно C_п. Как видно из фиг.4 и фиг.5, зависимость η_п= f(C_п) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением:
η_п= -a_пC2п

+b_пC_п. (7)
В общем случае зависимость (7) является квадратичной параболой, имеющей восходящую ветвь, пологий максимум и падающую ветвь. Середина пологого максимума достигается при равенстве нулю производной от η_п по C_п
(8)
что соответствует содержанию = b_п(2a_п)^-1. Рабочим участком является восходящая ветвь, соответствующая содержаниям C_п < b_п(2a_п)^-1. Погрешность аппроксимации на рабочем участке не превышает 0,2% от измеряемого общего содержания во всем диапазоне содержаний 0<C_п<0,9 Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой по самым строгим критериям.

Из аппроксимирующего квадратного уравнения (7) можно получить 2 значения C_п
(9)
Меньшее из значений C_п находится на рабочем участке параболы (7), а большее значение C_п находится на падающей ветви параболы. Так как , то для обеспечения C_п<b_п(2a_п)^-1 в формуле (9) перед корнем нужно брать знак (+), а неизвестное общее содержание пыли в дыме определять по однозначной формуле
(10)
Для определения значений градуировочных коэффициентов a_п и b_п градуировочного уравнения (7) можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градуировки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значения коэффициентов a_п и b_п. Один из приемлемых нетрудоемких методов градуировки описан в книге Онищенко А.М. Оптимизация приборов для контроля состава веществ, М. Машиностроение, 1990, с.18-29, с.155-156 и с.251-256.

Пример реализации способа. По величине отношения интенсивностей прошедшего I_п и рассеянного вперед I_p ИК-излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм при толщине слоя дыма 1 м определяли общее содержание пыли в диапазоне изменений C_п от 0 до 340 г/м³. При этом I_o 10, d 1 м, K_п 0,005 м²/г, I_op 0,1, K_p 0,008 м²/г и σ_п= 0,2м²/г.. Относительная чувствительность и все другие зависимости для этого примера приведены на фиг.3,4,5 и 6. Погрешность измерения общего содержания пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,4% от измеряемой концентрации. Столь высокую точность измерения общего содержания пыли не обеспечивает ни один из известных методов измерения содержания пыли.

Для определения технико-экономической эффективности нового способа автоматического контроля общего содержания пыли в дыме в качестве базового объекта как наиболее совершенный примем способ согласно прототипу. Техническими преимуществами нового способа по сравнению с прототипом являются следующие: 1) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности от источника излучения (из-за изменения напряжения питания источника, из-за изменения сопротивления нити накала от износа и др. причин), 2) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 3) уменьшено до нуля влияние изменения температуры дымовых газов (так как изменения температуры приводят к одинаковым относительным изменениям интенсивностей I_п и I_p, 4) увеличена чувствительность к общему содержанию пыли.

Четыре основные технические преимущества привели к уменьшению погрешности измерения общего содержания пыли более чем в десять раз. При этом одновременно упростился по сравнению с прототипом и процесс измерений. За счет повышения точности и упрощения измерений годовой экономический эффект составляет более 20 тыс. руб на один прибор, реализующий новый способ измерения содержания пыли.

Использование: автоматический контроль содержания пыли в контролируемом объеме. Сущность изобретения: регистрируют интенсивность I_п прошедшего инфракрасного излучения через контролируемый объем в диапазоне длин волн 7,6 - 8,4 мкм, регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения I_p в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей I_p/I_п. 6 ил.

Способ автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности J_п прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения J_p в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей J_p/J_п.