УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к приборам для анализа газовых сред оптическими методами.

Известно устройство для измерения дымности отработавших газов дизелей, содержащее источник света, кювету, закрытую с торцов оптически прозрачными пластинами, и фотоэлемент [1].

Однако для определения дымности газов этим устройством первоначально с целью установки стрелки измерительного прибора на отметку "Ноль" пучком световых лучей просвечивается чистый воздух в контрольной кювете, затем после измерения положения источника света и фотоэлемента в измерительную кювету из выхлопной трубы двигателя засасывается задымленный газ, который просвечивается пучком световых лучей, проходящих через газ и оптически прозрачные пластины. Такое решение усложняет конструкцию устройства и его эксплуатацию, а также приводит к снижению точности измерений вследствие нарушения идентичных условий прохождения пучка световых лучей, которые в измерительной кювете (в отличие от контрольной кюветы) частично поглощаются слоем сажи, образующимся на ее стенках, так как продукты неполного сгорания топлива, содержащиеся в газах в виде сажистых частиц и смолистых веществ, осаждаются на пластинах и их прозрачность снижается.

Наиболее близким к предложенному решению является устройство для измерения дымности отработавших газов дизелей, содержащее источник света, кювету с фланцами, закрытую с торцов оптически прозрачными пластинами, фотоэлемент, две цилиндрические камеры с окнами, лежащие на оптической оси устройства, а внутри камер по периметру окон встроены с помощью кольцевых оправок из термостойкого изоляционного материала электрические нагревательные элементы, мощность которых составляет не менее 1 Вт на 1 см² площади прозрачных пластин [2].

Однако это устройство имеет сложную конструкцию и недостаточную надежность при использовании для массовой проверки автомобильных двигателей.

Предложенное устройство содержит источник света, кювету, закрытую с торцов оптически прозрачными пластинами, и фотоэлемент. Новым является то, что оптически прозрачные пластины с наружной стороны покрыты пленкой диоксида олова, нанесенной по всей поверхности, толщиной, определяемой соотношением (h - толщина пленки; ρ - удельное сопротивление пленки; l - длина пленки; R - сопротивление пленки; d - ширина пленки), но не более 0,15 мм и не менее 0,06 мм. При этом пленка диоксида олова служит электрическим нагревательным элементом, мощность которого составляет не менее 1 Вт на 1 см² площади прозрачных пластин.

Предлагаемая конструкция позволяет осуществлять равномерный нагрев оптически прозрачных пластин, исключающий загрязнение продуктами неполного сгорания их поверхности, что повышает точность измерений. В то же время использование в качестве нагревателей покрытий прозрачных слоев диоксида олова, наносимых на поверхность оптически прозрачных пластин, позволяет существенно уменьшить рабочую оптическую длину между источником света и фотоэлементом, ведет к уменьшению непроизводительных потерь тепла, приводит к существенному упрощению устройства.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит кювету 1 с фланцами 2, закрытую с торцов оптически прозрачными пластинами 3. Оптически прозрачные пластины с внешней стороны покрыты прозрачными слоями диоксида олова, служащими электрическими нагревательными элементами 4, на которые нанесены токопроводящие контакты 5 из проводящей серебряной пасты. Источник света 6 (лампа накаливания с рефлектором) размещен в корпусе 7 таким образом, чтобы пучок световых лучей 8 проходил через прозрачные слои диоксида олова 4, прозрачные пластины 3, кювету 1 и попадал на фотоэлемент 9. Нагнетатель чистого воздуха 10 соединен с кюветой 1 трубопроводом 11, снабженным обратным клапаном 12, и приводится в движение только во время продувки кюветы 1. Кювета 1 соединяется с объектом испытаний трубопроводом 13, снабженным регулировочным вентелем 14 и приемным зондом 15. Кроме того, кювета 1 снабжена устройством для замера давления - манометром 16 и устройством для замера температуры - термопарой с милливольтметром 17. С атмосферой кювета 1 соединена трубопроводом 18, снабженным обратным клапаном 19, который поддерживает необходимое давление в кювете.

Измерение давления этим устройством осуществляется путем сравнения силы тока, генерируемого фотоэлементом 9 под действием пучка световых лучей 8, проходящего через кювету 1, которая с помощью нагревателя 10 первоначально продувается и заполняется чистым воздухом, и силы тока фотоэлемента 9 от того же пучка света, ослабленного при его прохождении через кювету 1 после ее заполнения отработавшими газами. При продувке и заполнении кюветы 1 чистым воздухом регулируемый вентиль 14 закрыт. После просвечивания чистого воздуха (установки стрелки прибора на отметку "Ноль") нагнетатель выключается, открывается вентиль 14 и кювета 1 заполняется отработанными газами. В процессе работы устройства тепловой поток, сформированный нагревательными элементами 4 из слоев диоксида олова на поверхности оптически прозрачных пластин 3 и постоянно направленный навстречу отработавшим газам, заполняющим кювету, исключает осаждение продуктов неполного сгорания на прозрачных пластинах.

Еще одним дополнительным преимуществом предложенного устройства является уменьшение оптической длины между источником света и фотоэлементом за счет использования качественно нового нагревательного элемента, значительно уменьшающего рассеяние света, что в условиях защищенности оптики от загрязнений повышает также стабильность показаний, надежность работы и приводит к значительному упрощению устройства.

Известно, что сопротивление проводника постоянного сечения (как и в нашем случае со слоем диоксида олова)

где
ρ - удельное сопротивление, равное сопротивлению проводника в единицу длины с поперечным сечением в единицу площади, и эта величина является постоянной величиной данного проводника; l - длина проводника (для нашего случая длина прозрачной пластины, на которую нанесен проводящий слой), S - площадь поперечного сечения (в нашем случае произведение толщины слоя на ширину этого слоя диоксида олова).

Для того, чтобы на оптических пластинах устройства выделялась некоторая мощность в виде джоулева тепла, должна соблюдаться взаимосвязь между сопротивлением нанесенной пленки из диоксида олова и геометрическими размерами этой пленки, она достаточно наглядно представлена соотношением (1).

В нашем случае длина проводящей пленки из диоксида олова и ширина являются постоянными величинами, равными 35 и 30 мм соответственно, объясняются конструкционными способностями предложенного устройства, технологическими особенностями и возможностями установки для нанесения полупроводниковых слоев диоксида олова. В итоге получается, что согласно формуле (1) взаимозависимыми величинами для нашего случая являются сопротивление проводящей пленки из диоксида олова и толщина этой пленки. Другие параметры выражения (1) в нашем случае величины постоянные. Экспериментально установлено, что толщину пленки бесконечно уменьшать нельзя и при толщине меньше 0,06 мм электрическая прочность пленки недостаточна для выделения необходимой мощности на поверхности прозрачной пластины в виде джоулева тепла. Такие пленки недолговечны. Другим ограничением является то, что непродуманно увеличивать тоже нельзя. Увеличивать толщину покрытия из диоксида олова более 0,15 мм нецелесообразно, так как прозрачность пластин значительно уменьшается (менее 80%), что приводит к снижению чувствительности устройства (Панкратьев Е.М. и др. Технология полупроводниковых слоев двуокиси олова. М.: Энергия, с. 56).

Пример. В связи с тем, что отличие предполагаемого устройства от прототипа связано с нагревательными элементами, а все другие основные узлы как у заявляемого устройства, так и у аналога идентичны, то остановимся более подробно на технологии изготовления нагревательных элементов. В устройстве в качестве оптически прозрачных пластин использовались плоскопараллельные пластины, отполированные длиной 35 мм и шириной 30 мм. С целью получения нагревательных элементов непосредственно на поверхности кварцевых пластин проводилось осаждение пленок двуокиси олова на указанные пластины химическим путем из хлористых соединений SnCl₂ и SnCl₄. Кристаллы хлористого олова SnCl₂ подвергались гидролизу при температуре 720-730^oC, и образующиеся пары впускались в камеру, нагретую до температуры 700-710^oC. На поверхности кварцевых пластин образовывалась пленка двуокиси олова SnO₂. Полученные пленки обладали хорошей адгезией к кварцевым пластинам. Оптические свойства олова SnO₂ отличались большой прозрачностью (80-90%). Светопропускание слоя в видимой части спектра изменялось в зависимости от толщины нанесенного слоя.

Контактные площадки наносились с помощью сеткографии серебряной пасты, потом отжигались при температуре 750-800^oC в течение 30 мин. Полученные нагревательные элементы позволяют получать мощность на 1 см² не менее 1 Вт на поверхности прозрачных пластин и исключают загрязнение их продуктами неполного сгорания топлива в процессе эксплуатации.

Устройство для измерения дымности отработавших газов дизелей относится к измерительной технике, а именно к приборам для анализа газовых сред оптическими методами. Сущность изобретения: устройство содержит кювету с фланцами, закрытую с торцов оптически прозраными пластинами, источник и приемник света, нагревательные элементы, при этом нагревательные элементы выполнены в виде пленки диоксида олова, нанесенной по всей внешней поверхности пластин, толщиной 0,06 - 0,15 мм. 1 ил.

Устройство для измерения дымности отработавших газов дизелей, содержащее кювету с фланцами, закрытую с торцов оптически прозрачными пластинами, оптически сопряженные источник и приемник света, расположенные по торцам кюветы, нагревательные элементы, отличающееся тем, что нагревательные элементы выполнены в виде пленки диоксида олова, нанесенной на внешние поверхности пластин, толщиной, определяемой соотношением

где h - толщина пленки;
ρ - удельное сопротивление материала, из которого изготовлена пленка;
l - длина пленки;
R - сопротивление пленки,
d - ширина пленки, но не более 0,15 мм и не менее 0,06 мм.