ОПТИКОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ Российский патент 1999 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к оптическим методам анализа и может быть использовано для измерения дымности отходящих газов в энергетических отраслях промышленности и на транспорте.

Двухлучевые оптикоэлектронные измерители концентрации твердых частиц в газовом потоке [1] нечувствительны к флуктуациям интенсивности источника света. Однако в известных конструкциях изменения светового потока, вызванные загрязнением оптических поверхностей присутствующими в контролируемом потоке твердыми частицами, искажают концентрационный отклик измерителей, завышая тем самым показания приборов. Предложенные устройства электростатической очистки, загрязняющиеся осаждающимися частицами оптических поверхностей [2], усложняют конструкцию дымомеров и, в принципе, также не исключают влияний загрязнений оптики на результаты измерений.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения конструкции компонент в газовой среде [3], содержащее излучатель, оптически сопряженный с двумя фотопреобразователями, причем с одним из них - через исследуемую среду, а с другим - через среду и введенную в нее заглушенную оптически прозрачным материалом трубу, делитель, логарифматор, умножитель, два блока памяти и регистратор. Недостатком известного устройства является неисключенная погрешность измерения оптической плотности, обусловленная загрязнением оптических элементов налипающими на них твердыми частицами.

В основу изобретения поставлена задача - повысить точность измерений оптической плотности дымовых газов и снизить трудоемкость профилактического обслуживания.

Данная задача решается за счет того, что на установленный в блоке излучателя опорный фотопреобразователь падает часть светового потока источника излучения отраженная отражателем, установленным снаружи от защитного стекла в полом светопроводе блока излучателя в струе защитного газа, и логарифмирование сигналов фотопреобразователей производится после их усиления линейными усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления. Расположение отражателя за защитным стеклом в полом светопроводе, а его взаимодействующей с газообразной средой и световым потоком оптической поверхности в струе защитного газа, обеспечивает долговременную стабильность коэффициента отражения и тем самым автоматическую компенсацию загрязнения защитного стекла. Проведение процедуры логарифмирования после линейного усиления позволяет получить долговременную стабильность настройки прибора.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит источник света (светодиод, лазер, лампу и т.п.) 1, коллимирующий оптический элемент 2, защитные стекла 3 и 4, отражатель (зеркало, призма, и т.п.) 5, установленный в полом светопроводе блока излучателя 6 в струе защитного газа, опорный фотоприемник (фотодиод, фотоэлемент и т.п.) 7, измерительный фотоприемник 8, фокусирующий элемент (линза, объектив, фокусатор и т.п.) 9, линейные усилители с регулируемым коэффициентом усиления 10, 11, логарифматоры 12, 13, компаратор (пороговый элемент) 14, дифференциальный усилитель (вычитатель) 15, регистратор 16, источник электропитания 17, герметичные корпуса 18, 19, отверстия для подачи защитного газа 20.

Элементы 1, 2, 3, 5, 7 вместе с корпусом 18, светопроводом 6 и отверстиями для подачи защитного газа 20 объединены в блок излучателя, а элементы 4, 8, 9 со своим корпусом, светопроводом и устройством подачи защитного газа объединены в блок приемника. Отражающий элемент 5, фотоприемник 7, усилитель 10 и логарифматор 12 образуют опорный канал, а фотоприемник 8, усилитель 11 и логарифматор 13 - измерительный.

Устройство работает следующим образом. Блоки излучателя и приемника соосно располагаются на противоположных стенках дымохода 21, в которых предварительно вырезаются отверстия 22. В отсутствие дыма путем регулировки коэффициентов усиления линейных усилителей 10 и 11 устанавливают равенство сигналов, подаваемых на вход дифференциального усилителя 15, и соответственно нулевое значение оптической плотности или дымности отходящих газов на регистраторе 16. При загрязнении газового потока сажевыми частицами оптическое пропускание его уменьшится, в результате чего уменьшится выходной сигнал измерительного канала и соответственно регистратор покажет значение дымности потока.

Благодаря вынесенному за защитное стекло 3 отражателю 5 и наличию опорного канала происходит не только компенсация флуктуаций интенсивности света источника 1, что свойственно всем двухлучевым схемам, но и загрязнений оптических элементов 3 и 4 сажей. Установка регулируемых усилителей 10, 11 перед логарифматорами 12 и 13 позволяет электронными методами выровнять чувствительность каналов, которая будет сохраняться при синхронных вариациях чувствительности фотоприемников 7 и 8, вызванных температурным дрейфом или процессами старения. Компаратор 14 выдает сигнал предупреждения о недопустимом снижении интенсивности зондирующего пучка, которое используется для очистки стекол 3, 4 либо для замены источника света 1.

Приведем аналитическое доказательство факта долговременной компенсации влияния дестабилизирующих факторов загрязнения и синхронного дрейфа чувствительности фотоприемников в предлагаемом устройстве. Поскольку коллимирующий 2 и фокусирующий 9 элементы находятся внутри герметичных корпусов и выполняются чаще всего из стекла и металла, то стабильность их характеристик на порядки величин выше, чем электронных и фотоэлектронных компонент, отношение их коэффициентов пропусканий постоянно и не влияет на выводимые соотношения, на основании которых делаются заключения о возможности долговременной компенсации. Коэффициенты пропускания их приняты равными 1. В силу малой апертуры отражающего элемента 5, его близкого расположения к отверстию для подачи защитного газа 20 и практически 180^o ориентации его взаимодействующей со светом наружней грани относительно отверстия в дымоходе. Его коэффициент отражения также считается неизменяющимся.

В первом приближении также не учитываются шумовые, темновые и фоновые характеристики фотоприемников и усилителей, т.к., во-первых, в измерительных устройствах подобного типа интенсивность излучателя или максимальная измеряемая оптическая плотность выбираются с позиций многократного превышения сигнала над шумом и, во-вторых, уменьшение влияния этих вредных факторов является предметом специальных исследований и конструкторских приемов.

С учетом приведенных допущений сигнал на выходе логарифматора 13 измерительного канала будет описываться выражением:
U₁ = ln(T • T₁ • T₂ • K₁ • G₁ • P₀₁), (1)
где T, T₁, T₂ - коэффициенты пропускания газосажевого потока, защитных окон 3 и 4 соответственно;
K₁ - коэффициент усиления усилителя 11;
G₁ - чувствительность измерительного фотоприемника 8;
P₀₁ - интенсивность света источника 1, изучаемого в направлении измерительного фотоприемника.

Сигнал на выходе логарифматора 12 опорного канала:
U₂(T₁ ² • R • K₂ • G₂ • P₀₂), (2)
где R - коэффициент отражения отражателя 5;
K₂ - коэффициент усиления усилителя 10;
G₂ - чувствительность опорного фотоприемника 7;
P₀₂ - интенсивность света источника 1, излучаемого в направлении опорного фотоприемника.

Тогда сигнал на выходе вычитателя 15 примет вид:
U₃ = lnT + ln[T₂/T₁ • G₁/G₂ • K₁/K₂ • P₀₁/P₀₂ • 1/R]. (3)
Если при настройке устройства в отсутствие твердых частиц в газовом потоке, т.е. при пропускании T = 1, отрегулировать коэффициенты усиления k₁ и k₂ так, чтобы сигнал на выходе вычитателя принял нулевое значение (второе слагаемое в выражении (3)), то регистрируемый сигнал будет пропорционален lnT, т. е. дымности, и эта пропорциональность будет сохраняться как при синхронном изменении (например, при изменении температуры или старении) их чувствительностей G₁ и G₂, коэффициентов усиления линейных усилителей k₁ и k₂, так и коэффициентов пропусканий T₁ и T₂ при осаждении сажи на защитных стеклах 3 и 4, что и подтверждает сделанное заключение о компенсации влияния загрязнений на регистрируемые устройством значения дымности.

Источники информации.

1. Гохберг Ж.Л., Захаров М.С. Методы и приборы автоматического контроля выбросов ТЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 1670543 A1, кл. G 01 N 23/53, 1991
3. Авторское свидетельство СССР N 1704039 A1, кл. G 01 N 21/53, 1992.

Применение: в энергетических отраслях промышленности и на транспорте для измерения дымности отходящих газов. Сущность изобретения заключается в том, что оптикоэлектронное устройство для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах содержит излучатель, два фотоприемника, защитные стекла, полые светопроводы, отверстия для подачи защитного газа, отражатель, закрепленный за защитным стеклом в полом светопроводе блока излучателя, оптически сопряженный с фотоприемником опорного канала, установленным в блоке излучателя, электронную схему, состоящую из двух линейных усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления, двух логарифматоров, дифференциального усилителя и компаратора, при этом выход измерительного фотоприемника через линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входом первого логарифматора, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а выход опорного фотоприемника через другой линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен со входами компаратора и второго логарифматора, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя. Технический результат заключается в повышении точности за счет автоматической компенсации загрязнения защитного стекла. 1 ил.

Оптикоэлектронное устройство для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах, содержащее излучатель, два фотоприемника, логарифматор, защитные стекла, полые светопроводы, отверстия для подачи защитного газа, отличающееся тем, что за защитным стеклом в полом светопроводе блока излучателя закреплен отражатель, оптически сопряженный с фотопримником опорного канала, установленным в блоке излучателя, в электронную схему устройства введены два линейных усилителя с регулируемыми коэффициентами усиления, второй логарифматор, дифференциальный усилитель и компаратор, выход измерительного фотоприемника через линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входом первого логарифматора, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а выход опорного фотоприемника через другой линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен со входами компаратора и второго логарифматора, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя.