УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N15/06 G01N21/94 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям концентрации и состава взвешенных в газовой среде частиц, и может быть использовано в системах экологического и технологического мониторинга, контроля пылевых выбросов промышленных предприятий и тепловых электростанций.

Загрязняющее воздействие пыли в значительной степени зависит от фракционного состава пыли, а залповые выбросы пыли при отказе очистных фильтров могут привести к аварийным последствиям. Актуальной является задача непрерывного определения фракционного состава и концентрации пыли в широком рабочем диапазоне. При этом дополнительной проблемой, которую необходимо решать, является паразитное оседание пыли на рабочих поверхностях измерителей запыленности, что вносит погрешности в измерения.

При применении оптических методов для измерения значительных концентраций пыли используются эффекты увеличения ослабления зондирующего оптического излучения, проходящего через пылегазовую смесь, с ростом концентрации пыли. Для измерения малых концентраций обычно используют эффекты рассеяния зондирующего излучения пылегазовым потоком, при этом с ростом концентрации пыли величина измеряемого рассеянного излучения сначала растет, а затем, из-за конкурирующего процесса ослабления, начинает снижаться. Это приводит к неоднозначности измерений с ростом концентрации пыли.

Индикатрисса рассеянного излучения также зависит от длины волны зондирующего излучения и фракционного состава анализируемого пылегазового потока.

Решение задачи в заявляемом изобретении достигается при помощи комбинированного одновременного использования оптических эффектов поглощения и рассеяния оптического излучения на частицах пыли, что позволяет устранить неоднозначность результатов измерений рассеянного излучения с ростом концентрации пыли, использовать эти результаты для определения фракционного состава пыли. Используются зависимости изменения величины ослабления и рассеяния излучения с ростом концентрации пыли, а также имеющаяся связь между угловым распределением рассеянного зондирующего излучения, размерами частиц (фракционного состава) и длиной волны излучения. При этом постоянно осуществляется измерение и учет влияния осевшей на световых защитных окнах устройства пыли.

Известен оптический пылемер для системы управления проветриванием предприятия (патент России №2210070, G01N 21/59, G01N 21/15, опубл. 2003.08.10). Оптический пылемер содержит источник света, последовательно соединенный и оптически связанный с входом устройства разделения светового потока, первый выход которого последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном, с измерительным каналом, вторым защитным окном и первым входом устройства обработки сигнала; второй выход устройства разделения светового потока последовательно соединен и оптически связан с опорным каналом, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своем составу аналогичной отходящим газам конкретного промышленного предприятия, вторым входом устройства обработки сигнала, отличающийся тем, что источник света питается от источника импульсного напряжения, а также дополнительно введено устройство контроля запыленности защитного окна, которое оптически связано с защитным окном в измерительном канале, выход которого является входом для устройства управления, выход которого подключен к устройству обдува, которое осуществляет обдув смотровых окон, также введено устройство контроля температуры, выход которого подключен к входу устройства обработки сигналов, кроме того, для снижения запыления защитных окон введено устройство подогрева смотровых окон, которое связано с нагревательными элементами, расположенными в смотровых окнах.

Работа устройства основана на сравнении величины ослабления излучения, прошедшего через измерительный газовоздушный канал с пылью, и излучения, прошедшего через опорный канал с очищенной от пыли газовоздушной средой.

Для очистки стекол применяются электромеханические устройства, подогрев защитных окон.

За счет постоянной очистки защитных стекол, применения опорного измерительного канала устройство обладает повышенной по сравнению с обычными пылемерами на основе эффекта ослабления излучения чувствительностью и точностью измерений.

К недостаткам устройства можно отнести невозможность определять фракционный состав пыли, сложную систему контроля и очистки рабочих защитных стекол устройства.

Известен оптический пылемер (патент России №2095792, G01N 21/85, опубл. 1997.11.10), содержащий несколько излучателей: первый излучатель, расположенный перед рабочей камерой, формирует измерительный канал и оптически связан с фотоприемником через защитные окна рабочей камеры, второй излучатель расположен за рабочей камерой, формирует контрольный канал и также оптически связан с фотоприемником, третий излучатель расположен внутри устройства за рабочей камерой, формирует дополнительный контрольный канал и оптически связан с фотоприемником через защитное окно, при этом все излучатели выполнены с возможностью поочередного включения.

Снижение погрешности измерений в данном устройстве осуществляется за счет контроля и дальнейшего учета величины паразитного оседания пыли на защитных стеклах электронными методами.

К недостаткам устройства относится недостаточная чувствительность, невозможность определения фракционного состава пыли. Применение нескольких излучателей вносит погрешность в измерения, так как излучатели имеют разные характеристики дрейфа мощности излучения в зависимости от времени и влияния дестабилизирующих факторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому измерителю запыленности в газовой среде является устройство для измерения концентрации пыли в газовой среде (патент России №2284502, G01N 15/06, G01N 21/94, опубл. 2006.09.27).

Устройство содержит узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через защитные световые стекла аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, со световой ловушкой, приемный объектив рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, световод со встроенным регулятором потока излучения, оптически сопряженный с вторым фотоприемником, подключенным встречно-параллельно к первому фотоприемнику, систему обработки сигналов с фотоприемников и устройство отображения информации. Кроме того, световая ловушка снабжена сферическим контрзеркалом, установленным соосно с узлом осветителя и имеющим фокусное расстояние в половину расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора. При этом зеркальная отражающая поверхность приемного объектива, установленного соосно с узлом осветителя, выполнена в виде пояса на поверхности круговой бочки, отсеченного двумя плоскостями, перпендикулярными оси бочки и смещенными по отношению к среднему сечению бочки.

Введение в устройство приемного объектива, воспринимающего и суммирующего рассеянное частицами пыли зондирующего потока в интервале нескольких углов рассеяния, повысило чувствительность прибора, позволило снизить зависимость отклика прибора от изменений фракционного состава среды. Контроль мощности зондирующего излучения снизил ошибку измерений, возникающую из-за дрейфа характеристик излучателя.

К недостаткам устройства относится ограниченный диапазон определяемой запыленности, так как с ростом концентрации пыли растет неконтролируемая паразитная запыленность световых защитных окон и, соответственно, ошибка определения концентрации пыли, появляется неоднозначность измерения рассеянного излучения, отсутствует возможность измерения параметров фракционного состава пыли.

Техническим результатом, получаемым при использовании заявляемого изобретения, является устранение указанных недостатков. За счет одновременного анализа величины рассеянного и ослабленного пылью излучения, контроля запыленности световых окон расширяется диапазон измеряемых концентраций, уменьшаются ошибки измерения, вызванные осаждением пыли на защитных стеклах. При этом реализуется возможность одновременно с концентрацией определять фракционный состав пыли при одновременном сохранении чувствительности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения запыленности газовой среды, содержащее узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые стекла аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, с приемным объективом рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, второй фотоприемник, оптически сопряженный с потоком излучения, систему обработки сигналов с фотоприемников, узел отображения информации, отличается тем, что второй фотоприемник расположен за световым стеклом до аспирационного канала и оптически сопряжен через рассеяние на световом стекле узла осветителя с потоком излучения, а за световым стеклом аспирационного канала введены, по крайней мере, два дополнительных фотоприемника, причем один дополнительный фотоприемник с приемным объективом прошедшего через анализируемую среду излучения расположен на одной оптической оси с узлом осветителя, и другой дополнительный фотоприемник с приемным объективом, оптически сопряженный с рассеянным анализируемой средой излучением, расположен таким образом, что рассеянное излучение попадает на него под бóльшим или меньшим углом, чем на первый фотоприемник рассеянного излучения, а в качестве источника излучения используют полупроводниковый точечный излучатель с возможностью импульсного излучения попеременно на, по крайней мере, не менее двух длинах волн оптического диапазона.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что одновременно анализируется величина рассеянного пылью под разными углами зондирующего излучения разных длин волн и величина ослабления излучения. Так как зондирующее излучение в разные интервалы времени имеет разную длину волны, одновременное измерение сигналов с фотоприемников, соответствующих рассеянию под разными углами и для разных длин волн, позволяет определить фракционный состав и концентрацию пыли. Введение фотоприемника, позволяющего измерять величину поглощения прошедшего излучения, позволяет, с одной стороны, расширить диапазон измерений в сторону больших концентраций, а с другой стороны, устранить неоднозначность определения величины рассеянного излучения в зависимости от концентрации. Второй фотоприемник, оптически сопряженный с излучателем вне аспирационного канала позволяет измерить потери на защитных стеклах, внести соответствующую коррекцию в вычисления и снизить ошибку измерения концентрации пыли.

Автору не известно из источников информации техническое решение, имеющее совокупность признаков, подобную всей совокупности признаков в заявляемой формуле изобретения, и дающее при использовании указанный выше результат.

От прототипа предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов и связей. Новыми элементами являются дополнительные фотоприемники рассеянного и поглощенного излучения, оптически связанные с зондирующим излучением, фотоприемник рассеянного на защитном стекле излучения, оптически связанный с зондирующим излучением через свободное пространство.

Кроме того, в предлагаемом устройстве по-новому выполнен источник излучения, работающий в импульсном режиме на нескольких длинах волн оптического диапазона.

Все это, за счет получения комплексной информации о рассеянном под разными углами и ослабленном прошедшим излучением на нескольких длинах волн уровне запыленности защитных световых окон, приводит к расширению диапазона измерения запыленности, снижению погрешности измерений, дает возможность определять фракционный состав пыли, то есть при использовании изобретения будет достигнут новый результат, обеспечивающий критерий существенности отличий.

Увеличение информативности измерений за счет получения данных о фракционном составе пыли, расширение диапазона измерения концентрации пыли, снижение погрешности измерений, наряду с применением малогабаритного полупроводникового источника (светодиода) излучения и фотоприемников (фотодиодов), микропроцессорного блока обработки сигналов позволяет создать малогабаритное устройство, пригодное для работы в промышленных условиях.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых промышленностью. Высокая чувствительность и информативность устройства при малых габаритах позволяет использовать устройство в различных областях науки и техники, следовательно, предлагаемое изобретение отвечает критерию промышленной применимости.

На фиг.1 показана структурная схема выполнения варианта заявляемого устройства, при этом устройство, показанное на фиг.1, содержит узел осветителя с источником излучения 1 и коллиматором 2, оптически связанный через световые стекла 3 и 10 аспирационного канала 8, имеющего побудитель расхода 17, с приемным объективом первого фотоприемника 11 рассеянного излучения 9 анализируемой среды, второй фотоприемник 5, оптически сопряженный с потоком излучения 7, содержит систему обработки сигналов 15 с фотоприемников, узел отображения информации 16, при этом второй фотоприемник 5 расположен за световым стеклом 4 до аспирационного канала 8 и оптически сопряжен через рассеяние 6 на световом стекле 3 узла осветителя 1 и 2 с потоком излучения 7, а за световым стеклом 10 аспирационного канала 8 введены, по крайней мере, два дополнительных фотоприемника, причем один дополнительный фотоприемник 13 с приемными объективом прошедшего через анализируемую среду излучения 7, расположенный на одной оптической оси с узлом осветителя 1 и 2, и другой дополнительный фотоприемник 12 с приемным объективом, оптически сопряженный с рассеянным анализируемой средой излучением 9 таким образом, что рассеянное излучение 9 попадает на него под большим или меньшим углом, нежели на первый фотоприемник 11 рассеянного излучения, а в качестве источника излучения 1 используется полупроводниковый точечный излучатель с возможностью импульсного излучения попеременно на, по крайней мере, не менее двух длинах волн оптического диапазона. Фотоприемники 5, 11, 12, 13, излучатель 1, система обработки информации и узел отображения информации связаны электрическими шинами 14.

Импульсный оптический источник излучения 1, позволяющий излучать на нескольких длинах волн, представляет собой полупроводниковый светодиод, в качестве которого (для трех длин волн) можно использовать, например, светодиод марки EL-67-23 (Everlight). В качестве фотоприемников 5, 11, 12, 13 можно использовать, например, фотодиоды ФД-256 (Россия), которые имеют высокую чувствительность в области оптического диапазона.

Фотодиод 5 выполнен таким образом, чтобы его диаграмма угла зрения была оптически связана с рассеянным на защитном стекле 3 излучением 6. Это позволяет контролировать уровень паразитного ослабления излучения на защитных стеклах. За счет малой величины свободного пространства между защитным стеклом 3 и фотоприемником 5 сигнал фотоприемника не имеет паразитной составляющей, связанной с поглощением или рассеянием излучения пылью, содержащейся в анализируемом газовом потоке. Фотодиод 11 с приемным объективом выполнен таким образом, чтобы быть оптически связанным с рассеянным пылью излучением. Фотодиод 12 с приемным объективом выполнен таким образом, чтобы быть оптически связанным с рассеянным пылью излучением под другим, нежели для фотодиода 10, углом. Фотодиод 13 с приемным объективом выполнен таким образом, чтобы быть оптически связанным с зондирующим излучением и лежать с ним на одной оптической оси. Система обработки сигналов 15, выполненная, например, на основе микропроцессора К1881 ВЕ1 (Россия), предназначена для управления работой устройства, проведения необходимых математических вычислений. Узел отображения информации 16 предназначен для визуального отображения фракционного распределения и концентрации пыли. По электрическим шинам 14 подается питание, информационные сигналы, сигналы управления.

На фиг.2 показано изменение величины сигнала на фотоприемниках в зависимости от концентрации пыли. По оси абсцисс отложена относительная концентрация пыли, по оси ординат - относительная величина изменения сигналов фотоприемников ослабленного (штриховая линия) и рассеянного излучения (непрерывная линия). За счет конкурирующих физических процессов рассеяния и ослабления величина измеряемого рассеянного излучения может иметь двузначное значение - одинаковое для малых и для больших концентраций.

Устройство работает следующим образом.

Порождаемое излучателем 1 попеременно на разных длинах волн импульсное оптическое излучение 7 через оптическую систему 2, защитное стекло 3 проходит через аспирационный канал 8, где частично рассеивается и поглощается пылью, содержащейся в среде. Рассеянное под разными углами излучение 9 попадает через защитное световое стекло 10 на фотоприемники рассеянного излучения 11 и 12, имеющие собственные оптические системы. Также прошедшее через аспирационный канал 8 излучение 7 попадает на фотоприемник сигнала поглощения 13 (с собственной оптической системой), лежащий на оптической оси излучения 7. Часть 6 оптического излучения рассеивается в разные стороны на защитном стекле 3 и попадает на фотоприемник 5 через защитное стекло 4. Сигналы управления, питания, а также информационные сигналы с системы обработки сигналов 15 и фотоприемников циркулируют по электрическим шинам 14, и с системы обработки сигналов 15 вычисленные значения концентрации и параметров фракционного состава пыли передаются на узел отображения информации 16, где отображаются и считываются оператором. В системе обработки сигналов 15 вычисляются отношения сигналов с фото приемников 11 и 12 рассеянного излучения на разных длинах волн зондирующего излучения. Эти отношения определяются параметрами фракционного состава пыли. Измерение отношения величин рассеяния под разными углами (не менее двух) позволяет определить максимум фракционного распределения пыли, измерение этого отношения на разных длинах волн (не менее двух) позволяет определить ширину распределения [П.Райст. Аэрозоли. М.: Мир, 1987 г.]. Увеличение числа фотоприемников рассеянного излучения, а также числа анализируемых длин волн излучения позволяет уточнить второстепенные параметры фракционного состава. Сигнал с фотоприемника 5, определяющийся излучением, рассеянным осевшей пылью на защитном стекле 3 и прошедшим через осевшую пыль на защитном стекле 4, позволяет ввести поправки при расчете величин рассеяния и ослабления излучения анализируемой средой. При помощи побудителя расхода 17 анализируемая на содержание пыли газовая смесь подается в аспирационный канал 8.

С ростом концентрации пыли (фиг.2) сигнал фотоприемников рассеянного излучения сначала растет, но затем за счет поглощения начинает уменьшаться, что приводит к неоднозначности показаний. В заявляемом изобретении неоднозначность устраняется за счет измерения монотонно изменяющегося сигнала с фотоприемника сигнала ослабления, что позволяет определить, на какой ветви зависимости величины рассеяния - возрастающей или падающей - происходит работа.

Вся совокупность признаков позволяет при сохранении чувствительности устройства снизить погрешность измерений концентрации пыли, расширить диапазон измеряемых концентраций, получать информацию о фракционном составе пыли, а применение малогабаритного полупроводникового излучателя (светодиода) и фотоприемников (фотодиода), микропроцессорного блока обработки сигналов позволяет создать малогабаритное устройство, пригодное для работы в промышленных условиях.

Изобретение найдет применение для информативного анализа широкого класса различных видов запыленности.

Изобретение может быть использовано в системах экологического и технологического мониторинга, для контроля пылевых выбросов промышленных предприятий и тепловых электростанций. Устройство содержит узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые стекла аспирационного канала с приемным объективом рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, второй фотоприемник, оптически сопряженный с потоком излучения, систему обработки сигналов с фотоприемников и узел отображения информации. Второй фотоприемник расположен за световым стеклом до аспирационного канала и оптически сопряжен через рассеяние на световом стекле узла осветителя с потоком излучения. За световым стеклом аспирационного канала введены, по крайней мере, два дополнительных фотоприемника. Один дополнительный фотоприемник с приемным объективом прошедшего через анализируемую среду излучения расположен на одной оптической оси с узлом осветителя, а другой - с приемным объективом. Рассеянное излучение попадает на него под бóльшим или меньшим углом, чем на первый фотоприемник рассеянного излучения. В качестве источника излучения используется полупроводниковый точечный излучатель с возможностью импульсного излучения попеременно на не менее двух длинах волн оптического диапазона. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона и уменьшение ошибок измерения. 2 ил.

Устройство для измерения запыленности газовой среды, содержащее узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые стекла аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, с приемным объективом рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, второй фотоприемник, оптически сопряженный с потоком излучения, систему обработки сигналов с фотоприемников, узел отображения информации, отличающееся тем, что второй фотоприемник расположен за световым стеклом до аспирационного канала и оптически сопряжен через рассеяние на световом стекле узла осветителя с потоком излучения, а за световым стеклом аспирационного канала введены по крайней мере два дополнительных фотоприемника, причем один дополнительный фотоприемник с приемным объективом прошедшего через анализируемую среду излучения расположен на одной оптической оси с узлом осветителя, и другой дополнительный фотоприемник с приемным объективом, оптически сопряженный с рассеянным анализируемой средой излучением расположен таким образом, что рассеянное излучение попадает на него под большим или меньшим углом, нежели на первый фотоприемник рассеянного излучения, а в качестве источника излучения используется полупроводниковый точечный излучатель с возможностью импульсного излучения попеременно на, по крайней мере, не менее двух длинах волн оптического диапазона.