СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НЕСГОРЕВШЕГО УГЛЕРОДА В ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЕ ОТОПИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N21/35 G01N21/47 G01N21/55 

Изобретение относится к способу и устройству для определения содержания несгоревшего углерода в летучей золе отопительной установки с помощью измерения отраженного от золы инфракрасного излучения, для чего используется измеритель остаточного содержания угля или углерода, снабженный прозрачной измерительной трубкой, предпочтительно стеклянной, образец золы, взятый из дымохода отопительной установки, подают через один из концов измерительной трубки, внутри которой образец осаждается, а после окончания измерения его выдувают из измерительной трубки наружу или обратно в дымоход.

В результате измерения отраженного от золы инфракрасного излучения получают коэффициент отражения, являющийся показателем относительного содержания несгоревшего углерода в летучей золе.

Когда измерительная трубка заполнена, измерение отраженного от золы инфракрасного излучения на поверхности участка образца золы, примыкающего к внутренней поверхности измерительной трубки, может быть произведено, например, электромагнитными волнами, с помощью которых может осуществляться, например, колориметрическое измерение. Результаты измерения отраженного от золы инфракрасного излучения могут выводиться на устройство цифрового считывания или аналогового отображения остаточного содержания углерода в процентном выражении.

В измерительной трубке, заполненной золой, могут наблюдаться следующие случаи неупорядоченности.

Зола может расслоиться таким образом, что создаются "черные углеродные полоски" или не содержащие углерода "белые полоски золы". Если измерение производится в одной из таких "полосок", его результатом будет ошибочное, соответственно чрезмерно высокое или чрезмерно низкое остаточное содержание углерода в золе.

В золе может образоваться воздушный карман, не способный отражать серию электромагнитных волн, например, инфракрасного излучения. По этой причине в результате измерения отраженного от золы инфракрасного излучения на участке, где образовался воздушный карман, также будет получено ошибочное чрезмерно высокое остаточное содержание углерода.

В золе могут присутствовать крупные черные частицы. Измерение отраженного инфракрасного излучения от таких частиц также даст ошибочное чрезмерно высокое остаточное содержание в них углерода.

Обычно зола представляет собой относительно однородную массу, способную, однако, время от времени оказываться крайне неоднородной. В этом случае измерение отраженного от золы инфракрасного излучения покажет различное остаточное содержание углерода в зависимости от расположения участка поверхности золы, на котором производилось измерение.

Согласно известным способам, с помощью которых производится только одно измерение отраженного от золы инфракрасного излучения, возможно, что волны натолкнутся на одну из упомянутых "полосок", воздушных карманов или иную белую поверхность золы, в результате чего будет получена ошибочная картина содержания углерода в золе и тем самым рабочего состояния отопительной установки.

Следовательно, пользуясь известными способами, необходимо производить измерение отраженного от золы инфракрасного излучения по меньшей мере на двух образцах золы, взятых один за другим, а результаты измерения необходимо сравнить. Только при условии, что два таких измерения дадут практически идентичные результаты, будет достаточно вероятным, что измерения дали правильный результат. Если результаты измерений существенно отличаются друг от друга, необходимо произвести измерение на одном или, возможно, нескольких дополнительных образцах золы.

В способе и устройстве для определения содержания углерода в летучей золе, известных из патента США US-PS 5173662, используются серии микроволн с частотой предпочтительно около 2450 МГц, что соответствует длине волны, равной примерно 122 мм. В указанном способе измеряют содержание волновой энергии, а именно, количество энергии, испускаемой в направлении образца летучей золы, и количество энергии, отражаемой образцом летучей золы. На основании указанных измерений может быть рассчитано количество энергии, поглощаемой летучей золой. Рассчитанный таким образом коэффициент содержания энергии отражает картину относительного содержания углерода в образце летучей золы.

Для каждого образца золы получают только один коэффициент содержания энергии. Дополнительные коэффициенты содержания энергии получают, производя измерения с помощью этого же устройства на последующих образцах золы или путем одновременного измерения, производимого с помощью нескольких устройств, каждое из которых производит измерение на соответствующем образце золы.

Таким образом, данный известный из техники способ связан с необходимостью проведения большого числа измерений на различных образцах золы и осуществления большого числа последующих расчетов с целью получения практического результата измерений.

Исходя из этого, целью настоящего изобретения, направленного на измерение отраженного от золы инфракрасного излучения, является создание способа и устройства, применение которых отличается меньшими затратами времени и которые свободны от упомянутых недостатков и обеспечивают высокую вероятность быстрого получения правильного результата измерения.

В соответствии с изобретением эта цель достигается с помощью упомянутого выше способа, отличающегося тем, что измерение отраженного от золы инфракрасного излучения осуществляют, направляя серии волн инфракрасного излучения, испускаемого источниками в направлении каждого из по меньшей мере двух различных участков поверхности образца золы, находящегося в трубке на определенном расстоянии от источников излучения, при этом отраженная часть серии волн возвращается в соответствующие приемники-детекторы инфракрасного излучения и измеряется соотношение между энергией соответствующих взаимозависящих серий волн, испускаемых в направлении поверхности образца золы и отраженных от нее, в результате чего производится по меньшей мере одно измерение на по меньшей мере двух различных участках наружной поверхности образца золы, примыкающих к внутренней стороне измерительной трубки, после чего результаты произведенных таким способом измерений сравнивают, отображая их в виде коэффициентов отражения.

За счет этого с помощью лишь одной измерительной операции, включающей все результаты измерения интенсивности нескольких серий волн инфракрасного излучения с длиной волны от примерно 7600 ангстрем до примерно 1 мм, испускаемых в направлении лишь одного образца золы и отраженных от этого образца, обеспечивается получение по меньшей мере двух значений коэффициента отражения, которые могут быть немедленно сравнены и, с учетом изложенного выше, приняты либо отвергнуты. За счет этого в способе согласно настоящему изобретению обеспечивается большая простота измерений, а также экономия времени по сравнению с известными из техники способами. Если полученные в результате измерений коэффициенты отражения практически идентичны, измерительная операция считается выполненной. Если один или несколько коэффициентов отличаются от среднего из коэффициентов на величину, превышающую заданную, такие коэффициенты не учитывают, а результатом измерительной операции тогда становится новый средний коэффициент, основанный на коэффициентах, которые не были отброшены. Если один из неотброшенных коэффициентов равен нулю, измерение считается невыполненным, а измерительная операция должна быть повторно осуществлена на новом образце золы.

Помимо этого способ, согласно изобретению, осуществленный в альтернативном варианте, отличается тем, что измерения осуществляют на участках поверхности образца золы, расположенных в различных плоскостях, перпендикулярно оси измерительной трубки.

В другом варианте осуществления изобретения способ может отличаться тем, что измерения осуществляют на участках поверхности образца золы, смещенных под углом относительно друг друга вокруг оси измерительной трубки.

В еще одном варианте осуществления изобретения способ может отличаться тем, что измерения осуществляют на шести участках поверхности образца золы, расположенных в двух радиальных плоскостях, причем в каждой плоскости расположены три участка поверхности образца золы.

В указанных вариантах осуществления способа согласно настоящему изобретению обеспечивается возможность проведения измерений на различных участках поверхности образца золы, не только расположенных в одной плоскости, но также на участках поверхности образца золы, расположенных на вертикальных линиях, наклонных линиях или кривых. После этого рассчитывают средний коэффициент, основанный на измеренных коэффициентах отражения. Коэффициенты отражения, существенно отличающиеся от указанного среднего коэффициента, отбрасываются. После этого рассчитывают новый средний коэффициент, который может считаться реальным коэффициентом отражения, результатом измерительной операции.

Способ согласно настоящему изобретению может также отличаться тем, что после того, как измерительная трубка очищена от золы, регулярно производят измерения коэффициента пропускания инфракрасного излучения измерительной трубкой с целью осуществления коррекции точки отсчета и калибровки.

Таким образом можно определить степень износа трубки и/или степень влияния сажи, которая может оставаться на внутренней поверхности пустой измерительной трубки после того, как образец золы был выдут из нее, на измерения, производимые при заполненной золой измерительной трубке.

Коэффициент пропускания, измеренный на пустой измерительной трубке, может применяться в качестве эталонной величины при последующем измерении коэффициентов отражения, производимом при заполненной трубке.

Если измерительная трубка пропускает слишком мало света, ее следует очистить от прилипшей сажи или заменить по причине износа.

Способ может быть осуществлен с помощью устройства, описанного во вводной части типа, при этом указанный способ согласно изобретению отличается тем, что устройство включает источники излучения, испускающие серии волн инфракрасного излучения в направлении по меньшей мере двух различных участков на поверхности образца золы, поверхность которого примыкает к внутренней или боковой поверхности измерительной трубки, приемники, улавливающие отраженные от соответствующих участков серии волн, средство для измерения соотношения (коэффициента отражения) между энергией взаимосвязанных серий волн, соответственно испускаемых в направлении участка поверхности образца золы и отражаемых от него, средство сравнения коэффициентов отражения, средство расчета и отображения их средней величины после того, как коэффициент/ы отражения, отличающийся/отличающиеся на наибольшую величину, были отброшен/ы. Благодаря этому обеспечиваются упомянутые в связи с заявленным способом преимущества и устраняются недостатки, присущие известным из предшествующего уровня техники устройствам.

Предпочтительный вариант осуществления устройства предусматривает измеритель остаточного содержания углерода, включающий элемент, представляющий собой отрезок полого цилиндра, так расположенного относительно измерительной трубки, что внутренняя стенка цилиндра находится на определенном расстоянии от наружной стенки измерительной трубки и параллельна ей, а от наружной стенки до внутренней стенки цилиндра проходят по меньшей мере две пары каналов, причем указанные каналы проходят попарно таким образом относительно друг друга, что серия волн инфракрасного излучения, испускаемого источником инфракрасного излучения, например, инфракрасным диодом, способна проходить через один из пары каналов в направлении участка поверхности образца золы, а часть испускаемой серии волн отражается от участка поверхности образца золы и возвращается через другой из пары каналов в приемник инфракрасного излучения.

Таким образом достигается возможность одновременного измерения на большем числе участков поверхности образца золы. После этого рассчитывают средний коэффициент измеренных коэффициентов отражения. Коэффициенты отражения, значительно отличающиеся от указанного среднего коэффициента, отбрасывают. Затем рассчитывают новый средний коэффициент, который может быть принят за реальный коэффициент отражения.

В предпочтительном варианте осуществления установки имеется цилиндр, пары каналов которого расположены таким образом, что измерения можно осуществлять на участках поверхности образца золы, расположенных в различных плоскостях, перпендикулярно оси измерительной трубки.

В другом предпочтительном варианте осуществления установки имеется цилиндр, пары каналов которого расположены таким образом, что измерения можно осуществлять на участках поверхности образца золы, смещенных под углом относительно друг друга вокруг оси измерительной трубки.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления установки имеется цилиндр с шестью парами каналов, расположенных таким образом, что измерения производят на шести участках поверхности образца золы, расположенных в двух радиальных плоскостях, причем в каждой плоскости расположены три участка поверхностей образца золы.

Тем самым обеспечивается возможность одновременного измерения шести коэффициентов отражения, а после проведения коррекции на основе калибровки значения, полученного на пустой измерительной трубке, может быть рассчитано среднее значение коэффициентов отражения. Коэффициенты отражения, значительно отличающиеся от указанного среднего коэффициента, отбрасывают. Затем рассчитывают новый средний коэффициент, который может быть принят за реальный коэффициент отражения. Таким образом, за один измерительный цикл получают достоверный коэффициент отражения, отражающий картину содержания несгоревшего углерода в золе.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертеж, на котором показан полуцилиндрический участок элемента измерителя остаточного содержания углерода, при этом указанный элемент состоит из полого цилиндра 13, который может частично охватывать прозрачную измерительную трубку в измерителе остаточного содержания углерода.

Внутренняя стенка 14 цилиндра 13 расположена на определенном расстоянии от наружной стенки прозрачной измерительной трубки измерителя остаточного содержания углерода и параллельна ей. В стенке цилиндра 13 имеется по меньшей мере два канала или две пары каналов 1 и 2, 3 и 4, проходящих от внутренней стенки 14 до наружной стенки 15 цилиндра, при этом на проиллюстрированном варианте показаны шесть пар каналов 1 и 2, 3 и 4 и т.д.

В одной из пар каналов ось первого канала 1 проходит радиально в направлении участка на внутренней поверхности измерительной трубки. Ось другого канала 2 проходит в той же плоскости, что и ось первого канала 1 ниже указанного канала 1 и под углом примерно 25^o относительно него и в направлении того же самого участка на внутренней поверхности измерительной трубки или на небольшом расстоянии позади него.

В другой радиальной плоскости, смещенной под углом 25^o вокруг оси 16 цилиндра 13, проходит следующая пара каналов 3, 4, включающая канал 3, проходящий в плоскости, расположенной ниже первого канала 1. Ось указанного канала 3 проходит радиально в направлении другого участка внутренней поверхности измерительной трубки или на небольшом расстоянии позади него. Ось другого канала 4 данной пары каналов проходит в той же плоскости, что и ось канала 3 той же пары, над указанным каналом и под углом к нему в направлении другого участка внутренней поверхности измерительной трубки или на небольшом расстоянии позади него.

Аналогичным образом в стенке цилиндра проходят еще четыре пары каналов, смещенных относительно друг друга на 25^o вокруг оси 16 цилиндра 13, в результате чего измерения в целом производят на трех участках поверхности образца золы, расположенных в одной радиальной плоскости, и на трех участках, расположенных в другой радиальной плоскости на расстоянии 6 от первой радиальной плоскости.

При измерении в измерительной трубке отраженного золой инфракрасного излучения, например, инфракрасный диод испускает серию волн инфракрасного излучения, поступающего по, например, каналам 1, 3... и т.д., попарно проходящим радиально в направлении поверхности золы, и освещающего участки на поверхности золы. Отраженная от каждого из таких участков часть инфракрасного излучения возвращается по другим каналам 2, 4... и т.д. в приемники инфракрасного излучения или наоборот.

Таким образом, может быть измерен коэффициент отражения от каждого из шести участков измерения образца золы, а после проведения коррекции на основе калибровки по меньшей мере одного значения, полученного, как указывалось, на пустой измерительной трубке, может быть рассчитан средний коэффициент указанных коэффициентов отражения. Для получения более точных результатов измерений отраженного золой инфракрасного излучения используют два эталонных значения, одно, полученное на темной трубке (местоположение нулевой точки) и одно на измерительной трубке, заполненной сульфатом бария (полная шкала). Один, два или более указанных коэффициентов отражения, значительно отличающихся от указанного среднего коэффициента, могут быть отброшены, если такой/такие коэффициент/ы выходят за границы заранее установленных значений. После этого на основе не отброшенных коэффициентов отражения рассчитывают новый средний коэффициент, который может быть принят за реальный средний коэффициент отражения. Вместо каждой пары каналов может быть использован единый канал для испускания и отражения серий волн, например, через два волоконно-оптических световода или их пучки, расположенные в каждом канале. В случае применения пучков волоконно-оптических световодов, центральный пучок волоконно-оптических световодов предпочтительно проходит через каждый канал, при этом указанный пучок полностью или частично окружен пучком волоконно-оптических световодов, расположенных вокруг центрального пучка. Серия электромагнитных волн испускается через один и отражается через другой пучок волоконно-оптических световодов.

Величина, рассчитанная как реальный коэффициент отражения, является промежуточным результатом, используемым для расчета масс-процентного содержания несгоревшего углерода в летучей золе, что является искомым результатом.

В способе и устройстве для определения содержания несгоревшего углерода в летучей золе отопительной установки с помощью измерения отраженного от золы инфракрасного излучения используется измеритель остаточного содержания угля или углерода, снабженный прозрачной измерительной трубкой, предпочтительно стеклянной. Образец золы, взятый из дымохода отопительной установки, подают через один из концов измерительной трубки, внутри которой образец осаждается, а после окончания измерения его выдувают из измерительной трубки наружу или обратно в дымоход. Определение содержания несгоревшего углерода осуществляют, направляя серии волн инфракрасного излучения, испускаемого источниками, в направлении каждого из по меньшей мере двух различных участков на поверхности образца золы, находящегося в трубке на определенном расстоянии от источников излучения, при этом отраженная часть серии волн возвращается в соответствующие приемники-детекторы инфракрасного излучения и измеряется соотношение между энергией соответствующих взаимозависящих серий волн, испускаемых в направлении поверхности образца золы и отраженных от нее, в результате чего производится по меньшей мере одно измерение на по меньшей мере двух различных участках наружной поверхности образца золы, примыкающих к внутренней стороне измерительной трубки, после чего результаты произведенных таким способом измерений сравнивают, отображая их в виде коэффициентов отражения. За счет этого обеспечивается очень быстрый, надежный, простой и легкий способ и устройство для его осуществления без использования опасного микроволнового излучения. Техническим результатом является повышение быстродействия и безопасности и упрощение измерений, повышение надежности устройства. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения содержания несгоревшего углерода в летучей золе отопительной установки, для чего используется измеритель остаточного содержания угля или углерода, снабженный прозрачной измерительной трубкой, предпочтительно стеклянной, в котором образец золы, взятый из дымохода отопительной установки, подают через один из концов измерительной трубки, внутри которой образец осаждается, а после окончания измерения его выдувают из измерительной трубки наружу или обратно в дымоход, отличающийся тем, что направляют серии волн инфракрасного излучения, одновременно испускаемого, по меньшей мере, двумя источниками, в направлении каждого из, по меньшей мере, двух различных участков поверхности образца золы, находящегося в трубке на определенном расстоянии от источников излучения, тем, что только отраженная от каждого участка часть серии волн направляется в соответствующие приемники инфракрасного излучения и тем, что рассчитывается или измеряется соотношение между количеством энергии соответствующих взаимозависящих серий волн, испускаемых в направлении участка поверхности образца золы и отраженных от него, за счет чего одновременно производится, по меньшей мере, одно измерение отраженного от золы инфракрасного излучения на, по меньшей мере, двух различных участках образца золы, примыкающих к внутренней поверхности измерительной трубки, а результаты измерений инфракрасного излучения, отраженного от указанных, по меньшей мере, двух участков сравнивают, отображая их в виде коэффициентов отражения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерения производят на участках поверхности образца золы, расположенных в различных плоскостях, перпендикулярно оси (16) измерительной трубки. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измерения осуществляют на участках поверхности образца золы, смещенных под углом относительно друг друга вокруг оси (16) измерительной трубки. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что измерения осуществляют на шести участках поверхности образца золы, расположенных в двух радиальных плоскостях, причем в каждой плоскости расположены три участка поверхности образца золы. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что через регулярные промежутки времени производят измерения коэффициента пропускания инфракрасного излучения измерительной трубкой с целью получения коэффициента пропускания, который будет использован как эталонное значение при последующих измерениях отраженного золой инфракрасного излучения при заполненной золой измерительной трубке. 6. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее прозрачную измерительную трубку, предпочтительно стеклянную, при этом образец золы, взятый из дымохода отопительной установки, подают через один из концов измерительной трубки, внутри которой образец осаждается, а после окончания измерения его выдувают из измерительной трубки наружу или обратно в дымоход, отличающееся тем, что устройство включает, по меньшей мере, два источника инфракрасного излучения, одновременно испускающие серии волн инфракрасного излучения в направлении, по меньшей мере, двух различных участков поверхности образца золы, примыкающего к внутренней или боковой поверхности измерительной трубки, приемники инфракрасного излучения, улавливающие отраженные от соответствующих участков серии волн, средство для измерения или расчета соотношения (коэффициента отражения) между энергией взаимосвязанных серий волн инфракрасного излучения, соответственно, испускаемого в направлении участка поверхности образца золы и отражаемого от него, средство сравнения коэффициентов отражения инфракрасного излучения, средство расчета и отображения их средней величины после того, как коэффициент/ты отражения, отличающийся/отличающиеся на наибольшую величину, были опущены или отброшены. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно содержит элемент, состоящий из части полого цилиндра (13), таким образом расположенный относительно измерительной трубки, что внутренняя стенка (14) цилиндра расположена на определенном расстоянии от наружной стенки прозрачной измерительной трубки и параллельна ей, тем, что имеется, по меньшей мере, две пары каналов (1 и 2, 3 и 4), проходящих от наружной стенки (15) до внутренней стенки (14) цилиндра, тем, что каналы проходят попарно и так расположены относительно друг друга, что в каждой паре каналов серия волн инфракрасного излучения может испускаться источником инфракрасного излучения в виде инфракрасного диода в направлении участка поверхности образца золы через один канал (2 и 4) каждой пары, а отраженная от участка часть испускаемой серии волн возвращается в приемник инфракрасного излучения через другой канал (1 и 3) каждой пары каналов. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в цилиндре (13) имеются пары каналов, с помощью которых можно производить измерения на участках поверхности образца золы, расположенных в различных плоскостях, перпендикулярно оси измерительной трубки. 9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что в цилиндре (13) имеются пары каналов, с помощью которых можно производить измерения на участках поверхности образца золы, смещенных под углом относительно друг друга вокруг оси измерительной трубки. 10. Устройство по пп. 7, 8 или 9, отличающееся тем, что в цилиндре (13) имеется шесть пар каналов, с помощью которых можно производить измерения на шести участках поверхности образца золы, расположенных в двух радиальных плоскостях, причем в каждой плоскости расположены три участка поверхности образца золы.