СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАПЫЛЕННОСТИ Российский патент 2022 года по МПК G01N21/94 G01N15/06 

Предлагаемый способ относится к оптико-электронным способам контроля концентрации, размера и вещественного состава пыли.

Изобретение может быть использовано в промышленности для определения параметров пыли с целью управления вентиляционным оборудованием предприятия по пылевому фактору, для предупреждения взрывов пыли и производственной санитарии.

Известно устройство (пат. DE №4119406, МПК G01N21/27, опубл. 10.12.1992), позволяющее измерять концентрацию пыли методом поглощения света.

Недостатками этого устройства является невозможность определения вещественного состава пыли и ее размера, а так же отсутствия защиты от факторов, вносящих значительную погрешность измерения, что делает невозможным использование устройства в автоматическом режиме. К этим факторам относится периодическая запыленность смотровых окон, постоянное изменение температуры окружающей среды.

Известен оптический пылемер (пат. RU №2095792, МПК G01N21/85, опубл. 10.11.1997) для непрерывного измерения запыленности газов. Принцип работы устройства заключается в следующем: в оптическом пылемере первый излучатель расположенный перед рабочей камерой, формирует измерительный канал и оптически связан с фотоприемником через защитные окна рабочей камеры, второй излучатель, расположенный за рабочей камерой, формирует контрольный канал и оптически связан с фотоприемником, третий излучатель расположен внутри устройства за рабочей камерой и формирует дополнительный контрольный канал и оптически связан с фотоприемником через защитное окно. При поочередном снятии показаний со всех излучателей определяется уровень запыленности в измерительном канале и сравнивается с данными, полученными с контрольных каналов.

Недостатками описанного выше устройства являются невозможность определения вещественного состава пыли и ее размера, а также отсутствие защиты от запыленности смотровых окон, изменения температуры окружающей среды и погрешностью, обусловленной влиянием изменения неконтролируемых параметров.

Известен оптический абсорбционный пылемер (Клименко А.П, Королев В.И., Швецов В.И. Непрерывный контроль концентрации пыли. Киев: ”Техника”, 1980- с. 62-65). Принцип работы устройства заключается в следующем: свет от источника формируется в два потока. Один из них отправляется в газоход с измеряемой пылегазовой средой и, с помощью системы зеркал, проходит через коммутатор каналов и воспринимается фотоприемником. Второй световой поток проходит через эталонный канал, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного промышленного предприятия. Световой поток, прошедший эталонный канал, с помощью системы зеркал попадает на коммутатор каналов и воспринимается тем же фотоприемником. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на усилитель, далее на блок разделения измерительного сигнала и сигнала сравнения, далее на логарифмирующие устройство, результаты измерения регистрируются измерительным прибором.

Недостатками описанного выше устройства являются невозможность определения вещественного состава пыли и ее размера, а также отсутствие защиты от запыленности смотровых окон, изменения температуры окружающей среды и погрешностью, обусловленной влиянием изменения неконтролируемых параметров, что затрудняет использование устройства для систем автоматизации.

Известен оптический пылемер для системы управления проветриванием предприятия (пат. RU № 2210070, МПК G01N21/59, G01N21/15, опубл. 10.08.2003). Принцип работы устройства заключается в следующем:

Генератор функционально-импульсной развертки подает импульсное напряжение на источник светового излучения, оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, основное назначение которого направлять разделенные световые потоки в измерительный и опорный канал.

Импульсное световое излучение, проходя через измерительный канал, ослабляется пылью и поступает на фотоприемник, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.

Импульсное световое излучение, проходя через опорный канал, изменяется незначительно и поступает на фотоприемник опорного канала, расположенный в устройстве обработки электрического сигнала.

Устройство контроля запыленности смотрового окна осуществляет управление устройством обдува со специально-закрепленными на лопастях вентилятора очищающими щетками, автоматически приближающимися к смотровым окнам при работе вентилятора.

К его недостаткам можно отнести погрешность, возникающую при изменении неконтролируемых параметров: влажности, концентрации углекислого газа, метана и др., невозможность определения вещественного состава пыли и ее размера.

Наиболее близким аналогом является оптический пылемер (пат. RU № 2558278, МПК G01N21/59, G01N21/15, опубл. 27.07.2015), содержащий измерительный и опорный каналы с двумя защитными окнами при этом опорный канал заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного предприятия; устройство контроля запыленности смотровых окон оптически связанное с первым смотровым окном в измерительном канале, выход которого является входом для устройства управления, выход которого подключен к устройству обдува, которое осуществляет обдув защитных окон; также содержит устройство контроля температуры, выход которого подключен к микроконтроллеру, так же содержит устройство подогрева смотровых окон, поддерживающее температуру смотровых окон измерительного канала в заданных пределах, так же содержит по два источника излучений в измерительном и опорном каналах, работающих на длинах волн в области максимального и минимального поглощения пыли и управляемых микроконтроллером, излучения с которых последовательно при помощи разделительных призм и зеркал направляются через измерительный и опорный каналы в единый световой поток и далее на вход широкополосного фотоприемника, который последовательно соединен с усилителем и микроконтроллером, определяющим уровень запыленности и соединенным с устройствами обдува и подогрева смотровых окон.

К недостаткам можно отнести отсутствие возможности определения вещественного состава пыли и ее размера.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности непрерывного измерения концентрации, возможность определения вещественного состава пыли и ее размера.

Сущность изобретения заключается в том, что способ контроля параметров запыленности, в котором последовательно генерируются импульсы светового излучения на длинах волн в области максимального и минимального поглощения пыли и их пропускание через опорный и измерительный канал, на выходе которых измеряется ослабление излучения, по которому судят о концентрации пыли, при этом в измерительном канале нагреваются смотровые окна, контролируется их запыленность и осуществляется их автоматическая очистка, а также измеряется температура окружающей среды, кроме этого для повышения точности измерения основной световой поток с выхода измерительного канала разделяется на широкий и узкий пучки, с помощью которых определяется средний размер частиц и их концентрация, а для возможности определения вещественного состава пыли дополнительно в измерительном канале регистрируется рассеянное на двух длинах волн излучение под углом 90 градусов к оси падающего излучения и по нему определяется вещественный состав пыли.

Технический результат получаем за счет использования двух длин волн в области максимального и минимального поглощения пыли, использования дополнительного канала, измеряющего рассеяние света от пыли и канала, измеряющего дисперсию, что позволяет повысить точность определения концентрации пыли, возможность определения вещественного состава и размера частиц пыли, а так же устранить погрешности, возникающие при изменении неконтролируемых параметров: влажности, концентрации углекислого газа, метана и др., при этом способ осуществляется в сложных эксплуатационных условиях предприятия.

На чертеже представлена общая схема устройства для реализации способа в соответствии с формулой изобретения.

Устройство содержит источники излучения 1 - 4, разделительные призмы 6, 9, 20, 30, зеркала 5, 7, 8, 10, 19, 21, 27, диафрагму 31, первое 17, второе 18 и третье 26 защитные окна измерительного канала 15, опорный канал 16, устройство подогрева смотровых окон 11, устройство контроля запыленности смотровых окон 12, оптически связанное со смотровым окном 17, устройство управления обдувом 13, устройство обдува защитных окон 14, устройство контроля температуры 25, широкополосные фотоприемники 22, 28, 32 усилители 23, 29, 33 микроконтроллер 24.

Способ осуществляется следующим образом. Микроконтроллер 24 последовательно подает импульсное напряжение на источники излучения 1,3 и 2,4, при этом источники излучения 1,3 имеют длину волны в области максимального поглощения пыли, а источники излучения 2,4 имеют длину волны в области минимального поглощения пыли. При этом микроконтроллер последовательно подает одинаковые пачки импульсов на излучатели 1, 3, 2 и 4. Сформированная пачка импульсов от источника излучения 1 через разделительную призму 6 излучение поступает в измерительный канал 15, в следующий момент времени вторая пачка импульсов поступает на источник излучения 3 и далее излучение поступает в опорный канал 16, в следующий момент времени третья пачка импульсов поступает на источник излучения 2 и далее излучение через зеркала 7, 5 и разделительную призму 6 поступает в измерительный канал 15, в следующий момент времени четвертая пачка импульсов поступает на источник излучения 4 и далее излучение через зеркала 10, 8 и разделительную призму 9 поступает в опорный канал 16. Далее процесс формирования пачек импульсов на источники излучения 1,3, 2,4 повторяется. Таким образом, на выходе второго 18 и третьего 26 смотровых окон измерительного канала 15 имеется последовательность пачек световых импульсов, сформированных источниками 1,2, а на выходе второго смотрового окна опорного канала 16 имеется последовательность пачек световых импульсов, сформированных источниками 3,4. Импульсное световое излучение, проходя через измерительный канал 15, ослабляется и рассеивается пылью по закону Бугера-Ламберта-Бера и теории Ми. Ослабленные пылью световые импульсы от источников излучения 1,2 измерительного канала 15 поступают через разделительные призмы 20 и 30 на фотоприемник 32 и далее, через усилитель 33 в микроконтроллер 24, а через диафрагму 31, формирующую узкий пучок ослабленного пылью изучения источников 1 и 2 на вход фотоприемника 22, и далее, через усилитель 23 в микроконтроллер 24. Так же рассеянные пылью световые импульсы от источников излучения 1,2 под углом 90 градусов к оси излучателя через смотровое окно 26 и зеркало 27 последовательно поступают на вход фотоприемника 28 и далее, через усилитель 29 в микроконтроллер 24. Световые импульсы от источников излучения 3,4 опорного канала поступают через зеркала 21, 19 и разделительную призму 20 так же на вход фотоприемника 32 и через диафрагму 31 на фотоприемник 22. При этом световые импульсы располагаются в последовательности 1,3, 2,4. Сформированная фотоприемниками 22, 32 и 28 последовательность импульсов электрического тока поступает через усилители 23, 33, 29 в микроконтроллер 24, где происходит обработка полученных последовательностей.

Обработка информации, поступающей с фотоприемника 32, характеризующей ослабление излучения пылью осуществляется следующим образом: сначала происходит вычитание пачки, сформированной источником излучения 1 из пачки, сформированной источником излучения 3, затем вычитание пачки, сформированной источником излучения 2 из пачки, сформированной источником излучения 4.

Обработка информации, поступающей с фотоприемника 22, характеризующей ослабление узкого пучка излучения пылью осуществляется микроконтроллером 24 аналогичным образом: сначала происходит вычитание пачки, сформированной источником излучения 1 из пачки, сформированной источником излучения 3, затем вычитание пачки, сформированной источником излучения 2 из пачки, сформированной источником излучения 4.

Для определения вещественного состава измеряемой пыли микроконтроллером 24 определяется логарифм отношения пачки, сформированной источником излучения 1, и пачки, сформированной источником излучения 2, поступающего рассеянного излучения под углом 90 градусов относительно оси светоизлучателя на фотоприемник 28, а также логарифм значения, полученного итогового значения на фотоприемнике 32, полученного в ходе вышеописанной обработки. Далее полученные данные сравниваются со значениями, помещенными в память микроконтроллера 24. Эти значения определяются заранее для частиц разных веществ экспериментально, моделированием или берутся из справочников и они характеризуют вещественный состав измеряемой пыли.

Для определения среднего радиуса частиц (размера пыли) и средней концентрации пыли микроконтроллер, используя полученные и сохраненные данные за несколько тактов, проводит обработку полученных измерений по выражениям, приведенным ниже.

Средний радиус частицы равен:

где S₀ - средний поперечник ослабления света частицей.

Средний поперечник ослабления света частицей имеет размерность площади:

где D - дисперсия оптического сигнала; S - площадь поперечного сечения пучка света; τ - оптическая толщина системы; I₀ - интенсивность пучка света на входе в исследуемую среду; φ(τ) - специальная функция, связывающая дисперсию D с оптической толщиной системы τ и средним числом частиц в просвечиваемом объеме.

Дисперсия оптического сигнала, определенная на основании статистического анализа результатов многократных измерений:

где N - количество измерений интенсивности параллельного пучка света, прошедшего через среду; - среднее значение интенсивности параллельного пучка света, прошедшего через среду за N измерений; Ii - мгновенное значение интенсивности параллельного пучка света, прошедшего через среду во время i-го измерения.

Запишем формулы для определения , τ и средней концентрации частиц n_ср:

где l - длина пути света в исследуемой среде и для описываемого устройства равно константе.

Анализ выражений (1)-(6) показывает, что для расчета среднего радиуса частиц пыли и их средней концентрации необходимо произвести измерение параметров I₀, Ii, S, l. Значение I₀ берутся из опорного канала, l - для описываемого устройства равно константе, значение S - площадь поперечного сечения пучка света (является константой). Значение Ii берется из пачек, формируемых на фотоприемнике 32, а дисперсии D из значений, формируемых на фотоприемнике 22.

Алгоритм работы микроконтроллера осуществляется в циклическом режиме. В каждом цикле выполняются следующие действия:

1. Рассчитывается среднее значение интенсивности параллельного пучка света, прошедшего через среду за N измерений.

2. Рассчитывается дисперсия D оптического сигнала;

3. Определяется оптическая толщина системы τ.

4. Вычисляется специальная функция ϕ(τ), связывающая дисперсию с оптической толщиной системы и средним числом частиц в просвечиваемом объеме.

5. Рассчитывается средний поперечник ослабления света частицей S₀.

6. Рассчитывается средний радиус частиц r.

7. Рассчитывается средняя концентрация частиц n_ср.

8. Сопоставляются с константами, записанными в память микроконтроллера, логарифм отношений значений на разных длинах волн по каналу рассеяния и логарифм значения по каналу ослабления и таким образом устанавливается вещественный состав частиц пыли.

Все операции выполняются синхронно и циклично.

Устройство подогрева смотровых окон 11 поддерживает температуру смотровых окон измерительного канала в пределах 210-250°С. Режим работы данного устройства задается микроконтроллером 24.

Устройство контроля запыленности смотровых окон 12 осуществляет управление устройством обдува 14 со специально-закрепленными на лопастях вентилятора очищенными щетками, автоматически приближающимися к смотровым окнам при работе вентилятора. При достижении определенного порога концентрации пыли, через линзу поступает отраженный под углом 135 градусов к оси излучения световой луч на устройство 12, представляющее собой фотодиод, напряжение с которого поступает на устройство управления вентилятором 13, режим работы которого задается микроконтроллером 24.

Устройство контроля температуры 25, выполненное в виде полупроводникового датчика температуры и усилителя непрерывно проводит измерения температуры воздуха рабочей зоны и подключается к микроконтроллеру 24 для коррекции колебаний температуры окружающей среды.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа контроля параметров запыленности. При осуществлении способа последовательно генерируются импульсы светового излучения на длинах волн в области максимального и минимального поглощения пыли и их пропускание через опорный и измерительный канал, на выходе которых измеряется ослабление излучения, по которому судят о концентрации пыли. В измерительном канале нагреваются смотровые окна, контролируется их запыленность и осуществляется их автоматическая очистка, а также измеряется температура окружающей среды. При этом световой поток с выхода измерительного канала разделяется на широкий и узкий пучки, а также дополнительно в измерительном канале регистрируется рассеянное на двух длинах волн излучение под углом 90° к оси падающего излучения. Технический результат заключается в повышении точности измерения концентрации пыли и обеспечении возможности определения вещественного состава пыли и её размера в сложных эксплуатационных условиях предприятия. 1 ил.

Способ контроля параметров запыленности, в котором последовательно генерируются импульсы светового излучения на длинах волн в области максимального и минимального поглощения пыли и их пропускание через опорный и измерительный каналы, на выходе которых измеряется ослабление излучения, по которому судят о концентрации пыли, при этом в измерительном канале нагреваются смотровые окна, контролируется их запыленность и осуществляется их автоматическая очистка, а также измеряется температура окружающей среды, отличающийся тем, что световой поток с выхода измерительного канала разделяется на широкий и узкий пучки, а также дополнительно в измерительном канале регистрируется рассеянное на двух длинах волн излучение под углом 90° к оси падающего излучения.