СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ Российский патент 1997 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 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 содержания CH₄, CO, CO₂, SO₂ и NO₂, а также влияние перераспределений содержания угольной, известняковой и песчаниковой пыли.

Известен способ автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа полиэнергетическим инфракрасным излучением и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения I_п и I_y в двух диапазонах длин волн 7,6-8,4 мкм и 6,0-6,8 мкм, в котором для определения концентрации пыли в качестве интенсивности прошедшего 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 узкие функциональные возможности из-за невозможности контроля угольной пыли и низкая точность, связанная с влиянием изменений интенсивности потока инфракрасного излучения, загрязнения окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет дополнительного контроля содержания угольной пыли и одновременного повышения точности за счет устранения влияний изменений интенсивности потока инфракрасного излучения от источника, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов, а также увеличение чувствительностей к контролируемым содержаниям пыли.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающем просвечивание контролируемого объема отработанного газа полиэнергетическим инфракрасным излучением и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения I_п и I_y в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6-8,4 мкм, дополнительно регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6-8,4 мкм, причем интенсивности прошедшего и рассеянного вперед инфракрасного излучения I_y и I_py регистрируют в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, определяют значения двух отношений интенсивностей I_рп/I_п и I_py/I_y, а о содержаниях общей и угольной пыли судят по значениям отношений соответственно I_рп/I_п и I_рy/I_y.

Основной изобретательский акт при создании нового способа состоит в преодолении технического противоречия. Сущность противоречия заключается в следующем. Для устранения влияния одного возмущающего фактора при обычном инженерном проектировании вводят корректирующий сигнал об этом возмущающем факторе. Но при этом усложняется измерение и падает надежность по внезапным отказам. Для устранения влияния трех возмущающих факторов нужно ввести три корректирующих сигнала, что приведет к усложнению способа уже в 4 раза: одно измерение основного сигнала и три измерения трех корректирующих сигналов. Если же нужно измерять еще один параметр, то нужно получить еще один измеряемый сигнал и еще три корректирующих сигнала для устранения влияния трех возмущающих факторов. В результате измерение усложняется уже в 8 раз. В новом способе это техническое противоречие преодолено: за счет измерения двух отношений одновременно устранены влияния изменений интенсивности излучения от источника, влияния загрязнения окон источника излучения и фотоприемника, а также влияния изменений температуры дыма, и обеспечено дополнительное измерение содержания угольной пыли в дыме. Кроме того, в новом способе увеличены чувствительности к общему содержанию пыли и к содержанию угольной пыли в дыме. Для преодоления противоречия существенны все отличительные признаки способа: 1) дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в том же диапазоне длин волн 7,6-8,4 мкм, 2) дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, 3) интенсивность прошедшего через слой дыма инфракрасного излучения I_y регистрируют в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, 4) определяют значение отношения интенсивностей I_рп/I_п; 5) определяют значение отношения интенсивностей I_ру/I_y, 6) о содержании общей пыли в дыме судят по величине отношения интенсивностей I_рп/I_п, 7) о величине содержания угольной пыли в дыме судят по значениям двух отношений интенсивностей I_рп/I_п и I_ру/I_у. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из этих семи отличительных признаков, то техническое противоречие не будет преодолено, то есть не будет достигнута поставленная цель. Необходимость и достаточность всех семи отличительных признаков для достижения поставленной цели однозначно следует из приведенного ниже описания способа. Ни один из этих семи отличительных признаков не известен даже сам по себе, по отдельности. Тем более неизвестно применение любого из этих признаков для достижения поставленной цели. Поэтому, по мнению авторов, совокупность семи отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

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) от длины волны λ; на фиг.3 зависимости интенсивности прошедшего I_п и рассеянного вперед I_р ИК-излучения через слой дыма d от общего содержания пыли C_п в отработавших газах; на фиг.4 зависимости отношения интенсивностей h_п= I_р/I_п от C_п при 0≅C_п≅170 г/м³; на фиг.5 -зависимость отношения η_п=I_р/I_п от C_п при 170 г/м³≅C_п≅340 г/м³; на фиг.6 зависимости относительных чувствительностей прошедшего S_п и рассеянного вперед S_p ИК-излучения к содержанию общей пыли C_п от самого содержания C_п, а также зависимость относительной чувствительности S_о от C_п.

Способ автоматического контроля общего содержания пыли C_п и содержания угольной пыли C_у в дыме реализуется следующей последовательностью операций.

Контролируемый слой дыма толщиной d просвечивают полиэнергетическим 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_р в том же диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм.

Регистрируют интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения I_у в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм.

Регистрируют интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения в слое дыма толщиной d I_ру в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм.

Определяют значение отношения интенсивностей η_п=I_p/I_п.

Определяют значение отношения интенсивностей =I_pу/I_у.

По величине отношения η_п определяют общее содержание пыли C_п в дыме.

По величинам отношений η_п и η_у определяют содержание угольной пыли C_у в дыме.

Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.

Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения I_п экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли C_п в дыме по формуле:
I_п=I_опexp (-K_пdC_п),
где I_оп интенсивность прошедшего ИК-излучения при C_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_р изменяется с изменением C_п по формуле:
I_p= I_ор+ σ_пdC_пexp(-K_pdC_п), (2)
где I_op интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при C_п=0;
коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, K_р коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью, Если C_п измеряется в г/м³, а d в м, то σ_п и K_р, как и K_п выражаются в м²/г.

Чтобы обеспечить независимость интенсивностей I_p и I_п от влияния изменения влаги, CO, 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_у, песчаниковой C_пс и известняковой C_и пыли при C_п C_у + C_пс + C_и const) нужно выбрать соответствующим образом диапазон длин волн регистрируемого ИК-излучения.

Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения основными газовыми компонентами дыма и в этом диапазоне длин волн отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой K_пс и известняковой K_и пылью близки друг к другу К_пс≃ К_и.. Поэтому в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм интенсивности прошедшего I_п и рассеянного вперед I_p ИК-излучения будут зависеть лишь от общего содержания пыли в дыме C_п и никак не будут зависеть от перераспределения содержаний C_у, C_пс и C_и при C_п const.

Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3,0 до 3,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и основными дымовыми газами, содержание которых может сильно измениться, углекислым и угарным газами. Поэтому коэффициентами ослабления ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм влагой K_в, угарным K_г и углекислым K_к газами можно пренебречь, так как они не менее чем в сотни раз меньше по сравнению с коэффициентами ослабления ИК-излучения различными компонентами пыли: K_в 0, K_г 0, K_к 0, K_п >> K_в, K_п >> K_г, K_п >> K_к, K_у >> K_в, K_у >> K_г, K_у >> K_к, K_пс >> K_в, K_пс >> K_г, K_пс >> K_к, K_и >> K_в, K_и >> K_г и K_и >> K_к.

Из приведенной на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3,0 до 3,4 мкм коэффициенты ослабления известняковой и песчаниковой пылью равны между собой K_пс K_и. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной пылью почти в три раза отличаются от коэффициентов ослабления ИК-излучения компонентами природной пыли (известняковой и песчаниковой).

Таким образом, диапазоны длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм для задачи раздельного контроля общего содержания пыли в дыме C_п и контроля содержания угольной пыли в дыме C_у являются оптимальными. В первом диапазоне длин волн обеспечивается зависимость интенсивностей лишь от C_п, а во втором лишь от C_у и C_пор C_пс + C_и.

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

В этом диапазоне изменений C_п от 0 до C_пmax (K_рd)^-1 величина отношения интенсивностей:
η_п= [I_ор+ σ_пdC_пexp(-K_pdC_п)][I_опexp(-K_пdC_п)]^-1 (3)
плавно растет с ростом C_п, что и показано на фиг.4 и 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 S₀ к общему содержанию пыли C_п, как и к содержанию угольной пыли C_у, против соответствующих чувствительностей прошедшего I_п и рассеянного вперед I_p ИК-излучения к C_п или к C_у при регистрации соответственно I_п или I_p, оценим сами эти чувствительности.

Относительная чувствительность к C_п или к C_у прошедшего ИК-излучения I_п по абсолютному изменению общего содержания пыли C_п или содержания угольной пыли C_у из (1) запишется в виде:

и не зависит от изменений C_п или C_у.

Относительная чувствительность к C_п или к C_у интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения I_п по абсолютному изменению содержаний C_п или C_у из (2) запишется в виде:

Относительная чувствительность величины отношения ^ηп ^илиηу к C_п или к C_у из (3) запишется в виде:

Графики зависимостей S_п, S_р и S_о от C_п или от C_у приведены на фиг.6. Видно, что отношения S_о в пределах концентраций 0<C_п<C_пmax или 0<C_у<C_уmax является наибольшей.

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

Зависимость η_п f₂(C_п) или η_у f₂(C_у) по формуле (3) представляют собой трансцендентное уравнение, из которого в явном виде C_п или C_у не определяется, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким методам численного решения уравнений (3) относительно C_п или C_у. Как видно из графиков на фиг.4 и 5, зависимость η_п f₂(C_п) или зависимость η_пу f₂(C_у) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением
η_п= -a_пC2п

+ b_пC_п,
η_у= -a_уC2у + b_уC_у - a′пC2п + b′пC_п. (7)
В общем случае зависимости (7) являются квадратичными параболами, имеющими восходящую ветвь, пологий максимум и падающую ветвь. Середина пологого максимума достигается при равенстве нулю производной от η_п или от η_у по C_п или по C_у


что соответствует содержаниям C′п = b_п(2a_п)^-1 или . Рабочим участком является восходящая ветвь, соответствующая содержаниям или .

Погрешности аппроксимации на рабочем участке не превышают 0,2% от измеряемых содержаний C_п или C_у во всем диапазоне их содержаний или 0 < C_у< 0,9C′у

. Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой по самым строгим критериям.

Из аппроксимирующих уравнений (7) можно получить по два значения C_п и C_у:

Меньшие из значений C_п1 и C_у1 находятся на рабочих участках парабол (7), а большие значения C_п2 или C_у2 находятся на падающих ветвях парабол. Так как , то для обеспечения C_п<b_п(2а_п)^-1 или C_у<b_у(2а_у)^-1 в формулах (9) перед корнем нужно брать зак (+), а неизвестные общее содержание пыли и содержание угольной пыли в дыме определять по однозначным формулам

Для определения значений градуировочных коэффициентов a_п и b_п первого градуировочного уравнения и a_у и b_у, a′п

и b′п второго градуировочного уравнения (7), можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градиуровки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значение коэффициентов. Один из приемлемых методов градуировки описан в книге А.М. Онищенко. Оптимизация приборов для контроля состава веществ. М. Машиностроение, 1990, с. 18-29, с. 155-156, с. 251-256.

Пример. По величинам отношений интенсивностей прошедшего I_п и I_пу и рассеянного вперед I_p и I_pу ИК-излучения в диапазонах длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм соответственно при толщине слоя дыма 1 м определяли общее содержание пыли C_п и содержание угольной пыли C_у в диапазонах их измерений от 0 до 340 г/м³. При этом I_оп 10, I_оу 10, d 1 м, и K_п 0,005 м²/г, K_пу 0,0047 м²/г, I_оp 0,1, I_оу 0,1, K_р=0,008 м²/г, K_ру 0,0078 м²/г, σ_п 0,2 м²/г и σ_у 0,19 м²/г. Относительные чувствительности и все другие параметры этого примера приведены на фиг.3-6. Погрешность измерения общего содержания пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,4% от измеряемого содержания. Погрешность измерения содержания угольной пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,47% от измеряемого содержания. Столь высокую точность измерений общего содержания пыли и содержания угольной пыли не обеспечивает ни один из методов измерений содержания пыли.

Для определения технико-экономической эффективности нового способа автоматического контроля содержания пыли в дыме в качестве базового объекта как наиболее совершенный примем прототип. Техническими преимуществами нового способа по сравнению с прототипом являются следующие: 1) расширены функциональные возможности в 2 раза за счет дополнительного измерения содержания угольной пыли, 2) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности от источника излучения (из-за изменения напряжения питания источника, из-за изменения сопротивления нити накала от износа и других причин), 3) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 4) уменьшено до нуля влияние изменения температуры отработавших газов (так как любые изменения температуры приводят к одинаковым относительным изменениям пар интенсивностей прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения для любой длины волны), 5) увеличены чувствительности к общему содержанию пыли и к содержанию угольной пыли.

Пять основных технических преимуществ привели к уменьшению погрешностей измерения более чем в десять раз. При этом одновременно упростился по сравнению с прототипом процесс градуировки и измерений. Кроме того, уменьшена примерно на 40% стоимость измерения одного содержания за счет совмещения двух измерений в одном устройстве для реализации способа.

Использование: автоматический контроль содержания пыли. Сущность изобретения: регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения I_п и I_пy в диапазоне 7,6-8,4 мкм, регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне 7,6-8,4 мкм, регистрируют интенсивности инфракрасного излучения I_пу и I_py в диапазоне 3,0-3,4 мкм, а об общем содержании пыли и о содержании угольной пыли в контролируемом объеме судят соответственно по значениям отношений I_p/I_y и I_py/I_пу. 6 ил.

Способ автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработанного газа полиэнергетическим инфракрасным излучением, и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения I_n и I_n y в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6 8,4 мкм, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения I_p и I_p y в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6 8,4 мкм, причем интенсивности I_n y и I_p y регистрируют в диапазоне длин волн 3,0 - 3,4 мкм, определяют значения двух отношений интенсивностей I_p/I_n и I_p y/I_n y, а об общем содержании пыли и о содержании угольной пыли судят соответственно по значениям отношений I_p/I_n и I_p y/I_n y.