Устройство для измерения концентрации и дисперсности частиц пыли в газовом потоке Советский патент 1985 года по МПК G01N15/02 

Устройство относится к контроль но-измерительной технике и может найти применение в автомобильной, пищевой, химической, текстильной и других отраслях народного хозяйства, . Цель изобретения - повышение точности измерения низких концентраций и малых размеров частиц пыли путем повышения разрешающей способ ности, чувствительности, помехоуйтойчиврсти и гювь1шение скорости измерения. На чертеже изображена структурная схема устройства. Пьезоэлектрический преобразователь 1 помещен за соплом измерительной камеры с воздуходувкой и подключен к усилителю 2, который соединен последовательно с узкополосным фильтром 3, вьтолненным с регулируемой шириной полосы пропускания и настроенным на частоту механического резонанса пьезоэлектрического преобразователя 1 амплитудным детектором Л .радиоимпульсов, фильтром 5 нижних частот и усилителем 6 видеоимпульсов низкой частоты, амплитудным дискри минатором 7, который может быть пороговым или дифференциальным, нормализатором 8 счетных импульсов счетчиком 9 импульсов, к входу Пуск и входу Сброс которого подключен формирователь 10 импульс Интервала времени счета, выполненный в виде генератора иьшульса нат пряжения регулируемой длительности Т. К разрядным выходам счетчика 9 импульсов, который может быть двоичным, двоично-десятичным или в другой любой системе счисления, присоединены входы задатчика 11 допустимого числа импульсов счета которьп изображен поразрядным переключателем П, хотя может быть выполнен чисто электронным, напри мер, в виде программируемого дешифратора с некоторым сигналом на выходе при превышении заданного числа импульсов счета. Выход задатчика 11 допусГимого числа импульсов и выходного формир вателя 10 импульса интервала време счета присоединены соответственно к 1 и 11 входу логической схемы выключения газового потока и индик 0 ции результата измерения, показанной на чертеже в виде комбинации реле Р с двумя нормально замкнутыми контактами , gSn одним нормально разомкнутым контактом Ви реле р2 с контактами переключателя П. Логическая схема выключения газового потока и индикации результата измерения может быть и чисто злектронной в виде комбинации логических злементов И, ИЛИ, НЕ, при этом в нее входят световые индикаторы, например лампы Л зеленого и Л tp красного цвета, источник питания Е, и присоет динен электродвигатель воздуходувки или другой, включающий или переключаюш(ий газовый поток элемент, например заслонка. Контакты реле на чертеже показаны в обесточенном состоянии их обмоток, т.е. перед интервалом времени счета (измерения) Т. Узкополосный фильтр 3 имеет управляемый вход для регулирования ширины полосы пропускания. Этот вход соединен с выходом частотного детектора 12, вход которого подключен параллельно входу счетчика 9 импульсов. Измерение концентрации и дисперсности пыли в газовом потоке производят следующим образом. Вначале устанавливают на некоторьй уровень, определяемый дисперсностью (размерами) частиц, порог срабатывания или дифференциальный коридор амплитудного дискриминатора 7. Задают время измерения Т, определяемое, например, качеством (проницаемостью, отсутствием дефектов, пыпеемкостью и т.д.) испытуе- . мрго в газовом потоке с дозированной концентрацией и дисперсностью частиц противопьшевого фильтра., и запускают формирователь 10 импульса интервала времени счета. При этом напряжение с формирователя 10, пройдя на вход 11 логической схемы выключения газового потока и индикации результата измерения через нормально замкнутый контакт В реле р , переключит контакты переключателя П реле Р , от чего включится возд ходувка ,и частицы пьшив газовом потоке, ускоряясь и концентрируясь соплом, начнут ударяться по чувствительному элементу пьезоэлектг рнческого преобразователя 1, Одновременно предьщ пцие показания счетчика 9 импульсов сбросятся на нуль и ни одна из ламп гореть не будет. Взаимодействие частиц пыли с чyвcтвитeль ым элементом пьезоэлектрического преобразователя 1 механи чес.ки может быть представлено как действие удара за очень короткое время (десятые и сотые доли микросекунды) , приводящее к изменению ко личества движения чувствительного элемента. Соотношение массы чувствительного элемента к массе .частицы пыли очень велико. Частица действуе на чувствительный элемент в локальной площадке контакта, определяемой радиусом частицы, силой удара, уп ругими свойствами частицы и поверхности .чувствительного элемента, Амплитуда генерированного в мо-. мент удара электрического импульса пропорциональна силе удара, которая пропорциональна квадрату радиуса частицы, степени 6/25 ее скорости и пропорциональна отношению площади контакта удара к площади всего чувствительного элемента, т.е. пропорциональна отношению электрической емкости площади контакта К емкости всего чувствительного элемент пьезоэлектрического преобразователя 1 с соединительным кабелем. Это .отношение очень мало, поэтому амплитуда электрического импульса невелика и составляет доли милливольта или единицы милливольт. Эти значения того же порядка, что и сиг налы от вибрационных и акустических помех, хотя и слабых по воздействию (давление, изгиб кручение) на чувс вительный элемент сравнительно с силой (давлением) от удара частиць, но зато.действующих непрерывно на всю поверхность чувствительного элемента и поэтому генерирую цих -сопоставительный с ударами частиц электрический заряд и напряжение . помех. Чувствительный элемент пьезоэлектрического преобразователя 1 механически представляет собой осциллятор с некоторой собственной частотой и затуханием,- зависящими от конструктивных и прочностных параметров формы, размеров, упругих свойств, способов крепления и т.д. Практически распространенные пьезоэлементы (диски, кольца, стержни, пластины) 04 имеют собственные частоты порядка сотен и тясяч килогерц и добротность (величина, обратная затуханию) порядка десятков и сотен. Под действием удара чувствительный элемент совершает затухающие механические колебания с частотой, близкой к собственной, огибающая которых уменьшается по укспоненте. Действие ударов частиц по чувствительному элементу происходит во времени случайно, но при.относительно редких ударах, до 100-1000 в секунду,.они следуют порознь, а генерируёмая чувствительным элементом ЭДС представляет собой случайную последовательность радиоимпульсов с внезапным началом и огибающей зксл поненциальной формы для каждого удара частицы. Частота заполнения радиоимпульса равна собственной частоте чувствительного элемента пьезоэлектрического преобразователя 1, а амплитуда каждого периода колебания пропорциональна citne уда.ра. Осциллограммы сигналов на чертеже показаны для удара одной частицы при прохождении сигналов через блоки устройства во время измерения Т -. Радиоимпульсы с пьезоэлектрического преобразователя 1 вместе с помехами усиливают усилителем 2, фильтРУют в узкой полосе пропускания узкополосным фильтром 3, которьпЧ настраивают на собственную частоту чувствительного элемента пьезоэлектрического преобразователя 1, в ре- . зультате чего образуются радиоимпульсы с колоколообразной формой огибающей, которые детектируют амплитудным детектором А и ф1-шьтруют фильтром 5 нижних частот с образованием колоколообразных видеоимпульсов низкой частоты, амплитуда которых пропорциональна силе, удара частиц пыли о чувствительный элемент. Последовательность видеоимпульсов свободна от влияния вибрационных, акустических и электрических помех на пьезоэлектрический преобразователь 1. В усилителе 6 видеоимпульсов производят ус1тение видеоимпульсов, затем вьтолияют их амплитудный анализ по величине уровня сигнала больше заданного порога или в пределах узкого соридора (диф(1)ере11циальный

5

анализ) а амплитудном дискриминаторе 7, затем - нормализацию по амплитуде и длительности с образованием счетных импульсов в нормализаторе 8. Длительность нормализованных импульсов при амплитудном анализе может быть равна длительности видеоимпульса на згровне порога дискриминации.

По установленному порогу i амплитудного дискриминатора 7 и сумме сосчитанных в счетчике 9 за время Т импульсов определяют размер и концентрацию частиц пыли в газовом потоке.

Счетные импульсы после нормали-;зацни направляют также в частотный детектор 12, где детектируют по частоте в процессе измерения. Сигналом с частотного детектора. 12 управляют шириной полосы пропускания ускополосного фильтра 3 через его управляеьаи вход, расширяя ее пропорционально при большом числе импульсов в единицу времени и сужая полосу при малом,. Этим уменьшается вероятность, наложения радиоимпульсоот ударов частиц (длительность радиоимпульса тем короче, чем шире полоса узкополосного фильтра 3) и повышается разрешающая способность, чувствительность и помехоустойчивость при малых концентрациях, когд полоса пропускания сужается.

В задатчике 11 допустимого числа импульсов предустанавливают некоторое предельное значение , Если в процессе измерений оно не превышается, тогда После окончания заданного интервала времени измерения Т реле Pj в логической схеме выключения газового потока и индикации результата измерения обесточивается, контакт переключа-j теля П, отключает от источника питания Е воздуходувку и присоединяет к нему лампуЛзел через нормально замкнутый контакт . В. реле PI , При этом испытуеМь1Й противопылевой фильтр признается годным.

Если число сосчитанных импульсов превысило тогда сигна674806

лом с задатчика 11 допустимого числа импульсов через вход 1 логи.ческой схемы включается реле Р , при этом его контактом BI разрывается цепь питания реле Р , его

переключатель (Ij .отсоединяет воздуходувку от источника питания Е раньше окончания интервала времени Т , чем сокращается время измерения и диагноза, причем тем значительнее, чем больше концентрация или сильнее поврежден противопьотёвой фильтр. Загорается лампа АИР ,.так как замыкается контакт

15 8 , и размыкается Контакт В реле Р., , Противопылевой фиЛьтр при этом признается негодным,.

Предлагаемое устройство для измерения концентрации и дисперсности

20 частиц пыли в газовом потоке прошло проверку на опытном стенде контроля дефектов противопьшевых фильтров автомобильных двигателей. Усилие радиоимпульсов от ударов частиц песка или древесных опилок о пьезоэлектрический преобразователь производилось на частоте 250 кГц селективным микромилливольтметром Вб-1. Узкополосная фильтрация осуществлялась в полосах 1-.10 кГц. При избранньгх дозировках концентрации .(несколько грамм на интервал времени измерения 10 с) видеоимпульсы не перекрьюались четко различались по амплитуде в зависимости от размеров частиц, уверенно дискриминировались по уровню (порогу), заданному амплитудным ограничителем по минимуму на смещенном в обратную сторону диоде, и считались электронно-счетным частотомером 43-24 в режиме измерения частоты за интервал 10 с. При исправном противопылево.м фильтре импульсы отсутствовали или имелись ёдигшчные и myльcы, при дефектном фильтре - сотни и тысячи импульсов. Изменяя порог ограничения, можно настроить устройство на счет частиц с размером больше згщанного дЛя обнаружения в противопылевом фильтре отверстий больше допустимого . размера.

УСТРОЙСТВО ДПЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ДИСПЕРСНОСТИ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ, содержащеепоследовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, фильтр, последовательно соединенные амплитудньШ дискриминатор, нормализатор счетных импульсов и счетчик, два управляющих входа которого подключены к выходу фop шpoвaтeля импульса интервала времени счета, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения низких концентраций и малых размеров частиц пьли путем повышения разрешающей способности, чувствительности, помехоустойчивости и повышения скорости измерения, фильтр выполнен узкополосным, с регулируемой полосой и настройкой на час,тоту механического резонанса пьезоэлектрического, преобразователя, при зтом устройство дополнительно содержит амплитудньй детектор, фильтр нижних частот и усилитель видеоимпульсов, соединен§ ные последовательно, частотный детектор, задатчик допустимого числа W импульсов, выход узкополосного фильтра соединен с входом аьшлитудного детектора, выход усилителя видеоимпульсов соединен с входом амплитудного дискриминатора, входы задатчика допустимого числа импульсов соединены с соответствую05 щими выходами счетчика, вход частотЧ ного детектора соединен с выходом 4 нормализатора счетлмх импульсов, 00 а выход - с.управляющим входом фильтра.