Оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань концентрації пилу

Винахід відноситися до області вимірювання запиленості газових середовищ оптичними методами, у тому числі для вимірювання концентрації пилу тієї чи іншої фізичної природи. Відомий оптико-електронний спосіб вимірювання концентрації пилу [див., наприклад, авторское свидетельство № 479997, кл. G01 N21/12, G01 N15/00 А.П. Клименко, В.И. Королёв, В.И. Тупихин. Устройство для исследования пылегазовой смеси.], заснований на формуванні потоку випромінювання заданої інтенсивності, поглинанні його пилогазовим потоком заданої і/чи невідомої концентрації при відомих значеннях товщини шарів пилогазового потоку, фотоелектричному перетворенні ослабленого потоку випромінювання у постійну напругу, вимірюванні його і запам'ятовуванні результатів вимірювання з наступним визначенням концентрації пилу у відповідності із заданим рівнянням вимірювань. Відомому оптико-електронному способу притаманні недоліки, обумовлені нестабільністю функції перетворення фотоприймача в результаті дії зовнішніх дестабілізуючих факторів. Це приводить до зниження точності вимірювання концентрації пилу зазначеним способом. Відомий оптико-електронний спосіб вимірювання концентрації пилу [див. авторское свидетельство JSfeSU 1758519 Al, кл. G01N 15/02 В.И. Тупихин, П. У Костогрыз и О.Н. Сидельникова. Способ автоматического измерения пыли в газопылевых средах.], заснований на висвітленні тим самим джерелом світла досліджуваного пилу в робочому каналі і еталону в порівняльному каналі, реєстрації тим самим фотоприймачем інтегрального розсіяного випромінювання, порівняння, підсилення, компенсації сигналів неузгодженості каналів і визначення концентрації пилу. Причому реєстрацію випромінювання в каналі порівняння здійснюють з використанням плоского імітатора досліджуваного пилу, зважену масу якого рівномірно розподіляють на оптично прозорій підкладці і стаціонарно закріплюють оптично прозорим липким шаром, а компенсацію сигналів неузгодженості каналів здійснюють зміною площі освітлюваної поверхні імітатора досліджуваного пилу. Відомому способу також притаманна недостатня точність вимірювання, обумовлена наявністю мультиплікативної складової похибки вимірювання, похибки, що обумовлена неідентичністю характеристик каналів перетворення, наявністю похибки імітації газопилового потоку, а також похибки позиціонування діафрагми. Крім того, на результат вимірювання впливає запотівання і забруднення стекол, через які проходить оптичне випромінювання. Найбільш близьким по своїй технічній сутності є оптико-електронний спосіб виміру концентрації пилу [Клименко А.П. и др./ А.П. Клименко, В.И. Королёв, В.И Шевцов. -К.: Техника, 1980. - 181с., Оптические абсорбционные пылемеры, выпускаемые зарубежными фирмами, ст. 89 рис.21], заснований на формуванні двох потоків оптичного випромінювання заданої інтенсивності, поглинанні їх пилогазовим потоком заданої і невідомої концентрації відповідно при відомих значеннях товщини шарів пилогазового потоку, фо тоелектричному перетворенні ослабленого потоку випромінювання в постійну напругу, вимірюванні їх і запам'ятовуванні результатів вимірювання з наступним визначенням концентрації пилу згідно з заданим рівнянням вимірювань. Відомому способу властиві недоліки, обумовлені неідентичністю каналів перетворення потужності потоків випромінювання в електричний сигнал, нестабільністю функції перетворення фотоприймача, обумовленої дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, тр уднощами формування двох ідентичних потоків випромінювання, а також запотіванням і забрудненням дзеркал, розташованих у газопилових потоках. В основу винаходу покладена задача створення такого оптико-електронного способу надлишкових вимірювань концентрації пилу, у якому шляхом введення заданої кількості, послідовності і умов виконання операцій та обробки результатів проміжних вимірювань по заздалегідь заданому рівнянню надлишкових вимірювань, забезпечувалось б підвищення точності визначення концентрації пилу при нестабільній функції перетворення оптичного сигналу в електричний сигнал та при запотіванні і забрудненні оптичних елементів, що розташовані поблизу газопилового потоку. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань концентрацій пилу, заснований на формуванні потоку випромінювання заданої інтенсивності, поглинанні його пилогазовим потоком заданої і/чи невідомої концентрації при відомих значеннях товщин l0 і l1 шарів пилогазового потоку відповідно, фотоелектричному перетворенні ослабленого потоку випромінювання в постійну напругу, вимірі його і запам'ятовуванні результатів вимірів, з наступним визначенням концентрації пилу відповідно до заданого рівняння вимірювань. Від прототипів він відрізняється тим, що спочатку перетворюють у постійну напругу U1, вимірюють і запам'ятовують потік випромінювання нульової потужності, після перетворення і виміру потужності потоку випромінювання, що пройшов через пилогазовий потік з відомою концентрацією C0 і товщиною l0 у др угу напругу U2, змінюють товщину шар у l0 у kл, раз, перетворюють у постійну напругу U3 потік випромінювання, що пройшов через пилогазовий потік при товщині l2 ({l2}= kл,{l0}) шар у, отриману напругу вимірюють і запам'ятовують, після перетворення і вимірювання інтенсивності потоку випромінювання, що пройшов через пилогазові потоки з відомою і невідомою концентраціями і товщинами шарів l0 і l1 відповідно, у напругу U4, змінюють товщину l1 шару в kл раз, перетворюють у постійну напругу U5 потік випромінювання, що пройшов через пилогазові потоки з відомою і невідомою концентраціями при товщинах шарів l 2 і l3 ({l3}= kл,{l1}), отриману напругу вимірюють і запам'ятовують, а про концентрацію пилу судять відповідно до рівняння надлишкових вимірювань U - U1 U 3 - U1 1 Cx = ln( 5 / ), (k л - 1)k 2 l 0 U 4 - U1 U 2 - U1 де k2 - коефіцієнт поглинання пилу на одиницю речовини. На рисунку наведена структурна схема пристрою для вимірювання концентрації пилу, де 1 - генератор оптичного випромінювання; 2 - модулятор; 3 - напівпрозора пластина; 4 - фокусуюча лінза; 5 - діафрагма; 6 фотоприймач з підсилювачем; 7 - генератор частоти модуляції; 8 - синхронний детектор; 9 – цифровий вольтметр; 10 – оптико-механічний вузол, що включає в себе лінзу 11, циліндричну камеру змінної форми 12, поршень 13, перше, друге, третє і четверте оглядові стекла 14, 15, 16, 17; перше, друге і третє дзеркала 18,19 і 20 відповідно; 21 - трубопровід для пилогазового потоку. Припустимо, що реальна функція перетворення фотоприймача описується рівнянням величин Ux = S`лФ х + D U` , H де Sл - параметр (чутливість) реальної функції перетворення ({S ` } = {S л } × (1 + g л ); g л - відносне відхилення л чутливості фотоприймача від номінального значення; ( g л = D Sл / S л )); {D U` } - реальне за розміром зміщення H функції перетворення {DU` } = { DUH } + {D a }), D UH - номінальне за розміром зміщення функції перетворення; D a H адитивна складова похибки перетворення. Відомо, що потужність потоку оптичного випромінення , який пройшов через пилогазове середовище, послаблюється згідно з законом Ламберта-Бугера-Бера Ф x = Ф 0 e( -k1Cxl0 ) , де Ф0 – початкова потужність потоку випромінювання, k1 – питомий показник поглинання світла на одиницю концентрації речовини, l0 - товщина шар у речовини. Сx - концентрація речовини. Як було визначено вище, оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань концентрацій пилу заснований на формуванні потоку випромінювання Ф0 заданої потужності. Цей потік поглинається пилогазовим потоком заданої і/чи невідомої концентрації при відомих значеннях товщин l 0 і l1 шарів пилогазового потоку відповідно. Далі здійснюється фотоелектричне перетворення ослабленого потоку випромінювання в постійну напругу. Остання вимірюється, а отримані результати запам'ятовуються. Концентрація пилу визначається відповідно до заданого рівняння вимірювання. Відповідно до запропонованого способу спочатку в постійну напругу U1 перетворюють потужність Ф1 потоку випромінювання нульової інтенсивності, тобто {Ф1} = 0. В результаті отримують напругу U1=ΔUH. (1) Напругу U1 (1) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Потік оптичного випромінювання пропускають через пилогазовий потік з товщиною l0 та з відомою концентрацією C0. Перетворюють і вимірюють потужність потоку випромінювання Ф0, що пройшов через пилогазовий потік з відомою концентрацією C0 і товщиною І 0, у другу напругу (2) U2 = S л e( -k1C0l0 - A 00 ) + D U де А00 - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання за рахунок запотівання оптичних елементів. Напругу U2 (2) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Змінюють товщину шару l0 пилогазового потоку у kл раз, тобто встановлюють товщин у шар у, значення якого дорівнює {l2}=kл{l0}. Перетворюють у постійну напругу U3 потужність потоку випромінювання, що пройшов через пилогазовий потік товщиною l2 ({l2}=kл{l0}) шару. В результаті перетворення ослабленого потоку оптичного випромінювання у електричний сигнал отримують наступну напругу: (3) U3 = S л e( -k1C0l0kл - A 00 ) + DU Напругу (3) вимірюють і запам'ятовують. Пропускають потік оптичного випромінювання Ф0 через пилогазові потоки з відомою C0 і невідомою Сx концентраціями при їх товщинах шарів l0 і l1 відповідно. Перетворюють послаблений потік оптичного випромінювання Ф4 у напругу (4) U4 = S л e( -k1C0l0 - k2Cxl1- A00 - A пз ) + DU де Апз - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання за рахунок забруднення оптичних елементів. Змінюють товщину l1 шару в kл раз, тобто встановлюють значення товщини шар у рівним {l3}=kл{l1}. Пропускають потік оптичного випромінювання Ф0 через пилогазові потоки з відомою C0 і невідомою Сх концентраціями при одних і тих же значеннях товщин шарів l 2 і l3 ({l2}= kл[l0}, {І3}= kл{l1}) відповідно. Перетворюють у постійну напругу (5) U5 = S л e(- k1C0l0 - k2Cxl1k л - A 00 - Aпз ) + D U потік оптичного випромінювання Ф5, що пройшов через пилогазові потоки з відомою і невідомою концентраціями при одних і ти х же значеннях товщин шарів l2 і І 3 ({l2}= kл{l0}, {І 3}=kл{l1}). Напругу (5) вимірюють і запам'ятовують. Про дійсне значення концентрації пилу судять відповідно до рівняння надлишкових вимірювань ì U - U1 U3 - U1 ü 1 ï Cx = lní 5 / (6) ý, (k л - 1)k 2 l0 ï U4 - U1 U2 - U1 þ î де k2 - коефіцієнт поглинання пилу на одиницю речовини. Описаний оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань концентрації пилу забезпечує виключення адитивної та мультиплікативної складових похибки вимірювання, впливу абсолютних значень параметрів функції перетворення фотоприймача та їх відхилень від номінальних значень, а також похибок, обумовлених запотіванням та забрудненням оптичних елементів, що знаходяться в області дії газопилового потоку, на кінцевий результат вимірювання. Покажемо, що дійсно за допомогою запропонованого рівняння надлишкових вимірювань забезпечується одержання позитивного ефекту. Для цього в рівняння (6) підставимо аналітичні вирази (1),...(5) та зробимо спрощення: Cx = ì 1 ï U - U1 U3 - U1 ü 1 ln í 5 / x ý= ( k л - 1)k 2l 0 ï U4 - U1 U2 - U1 þ ( k л - 1)k 2l 0 î æ S лe( - k1C 0l0k л - k 2C x l1k л - A 00 - A пз ) + DU - DU ö ç /÷ ç S e(- k 1C0l 0 - k 2C x l1 - A 00 - A пз ) + DU - DU ÷ л ç ÷= x ln ç S e(- k 1C0l 0k л - A 00 ) + DU - DU ÷ л ç/ ÷ ç S e( -k 1C 0l0 - A 00 ) + DU - DU ÷ è л ø 1 = x ( k л - 1)k 2l 0 . - k 1 C0 l0 k л - k 2 C x l1k л - A 00 - A пз + k 1 C 0 l0 + k 2 C x l0 + x ln e + A 00 + A пз + k 1C 0l0k л + A 00 - k 1C 0l0 - A 00 = Cx Пояснимо сутність запропонованого оптико-електронного способу надлишкових вимірювань концентрації пилу на прикладі роботи вимірювача концентрації пилу, структурна схема якого наведена на рисунку, де 1 генератор оптичного випромінювання; 2 - модулятор; 3 - напівпрозора пластина; 4 - фокусуюча лінза; 5 діафрагма; 6 - фотоприймач з підсилювачем; 7 - генератор частоти модуляції; 8 - синхронний детектор; 9 цифровий вольтметр; 10 - оптико-механічний вузол, що включає в себе лінзу 11, циліндричну камеру змінної форми 12, поршень 13, перше, друге, третє і четверте оглядові стекла 14, 15, 16, 17; перше, друге і третє дзеркала 18,19 і 20 відповідно; 21 - трубопровід для пилогазового потоку. Причому генератор опичного випромінювання 1 оптично з'єднаний з послідовно розташованими між собою модулятором 2, напівпрозорою пластиною 3, лінзою 11, циліндричною камерою змінної форми 12, оглядовими стеклами 14, 15, 16, 17 та дзеркалом 20. Електричний вхід модулятора підключений до виходу генератора частоти модуляції 7, з яким з'єднаний і вхід управління синхронного детектора 8, вихід якого підключений до цифрового вольтметра, а вхід детектора з'єднаний з виходом фотоприймача 6 з підсилювачем, вхід якого оптично з'єднаний через діафрагму 5, лінзу 4 з напівпровідниковою пластиною 3. При цьому оптико-механічний вузол 10 містить поршень 13, перше, друге і третє дзеркала 18,19 і 20 відповідно та трубопровід 21, у отворах якого розташовані з однієї сторони дзеркало 16, а з другої - дзеркало 15, яке оптично зв'язане через оглядове 14 і циліндричну камеру змінної форми 12 з лінзою 11. Між оглядовим склом 16 і дзеркалом 20 розташоване оглядове скло 17. Циліндрична камера змінної форми 12 змінює свою форму в результаті дії з'єднаного з нею поршня 13. Між першим та другим оглядовими стеклами 14 і 15 розташоване дзеркало 18, яке за допомогою ручного керування може змінювати своє положення (верхнє чи нижнє, див. рисунок). Аналогічно 16 і 17 оглядовими стеклами розміщено дзеркало 19, яке може змінювати своє положення (верхнє чи нижнє, див. рисунок). Робота приладу складається з п'яти тактів. В першому такті діафрагма 5 закрита. Світловий потік на фотоприймач 6 не поступає. За допомогою синхронного детектора 8 у напругу U1 перетворюється темновий потік фотоприймача. В результаті отримують напругу U1 (1), яка вимірюється за допомогою цифрового вольтметра 9. Результат вимірювання N 1 (N1=Sпр.U1, де Sпр - чутливість вольтметра) запам'ятовується. В другому такті дзеркало 18 встановлюють в верхнє положення, поршень 13 встановлюється в положення, як показано на рисунку. Діафрагму 5 встановлюють в положення, в якому світловий потік, відбитий від напівпрозорої пластини 3 поступає через фокусуючу лінзу 4 на фотоприймач 6 з підсилювачем. У цьому положенні циліндрична камера змінної форми 12 має довжину l0. З генератора опичного випромінювання 1 світловий потік модулююється за допомогою модулятора 2. Промодульований з частотою f0 потік оптичного випромінювання через модулятор 2, напівпрозору пластину 3, лінзу 11, циліндричною камерою змінної форми 12 з нормованою за значенням концентрацією С 0 пилогазового потоку, і оглядове скло 14 поступає на дзеркало 18. Відбивається від нього і поступає на напівпрозору пластину 3, від якої відбивається і через фокусуючу лінзу 4 поступає на фотоприймач 6 з підсилювачем. За допомогою фотоприймача 6 з підсилювачем потужність потоку оптичного випромінювання перетворюється в періодичний електричний сигнал з частотою f0. Цей сигнал перетворюється у постійну напругу U2 (2), яка вимірюється за допомогою цифрового вольтметра 9. Результат вимірювання N2 (N2 = Sпр.U2) запам'ятовується. В третьому такті поршень 13 встановлюють в верхнє положення. При цьому довжина циліндричної камери змінної форми 12 встановлюється рівною {l2}=kл{l0}. Аналогічно, як і у другому такті, здійснюється вимірювання потужності потоку випромінювання, який пройшов через циліндричну камеру змінної форми 12 з нормованою за значенням концентрацією С 0 пилогазового потоку на дзеркало 18. Цей потік відбивається від дзеркала 18 і поступає на напівпрозору пластину 3, відбивається від неї і поступає на поступає на фотоприймач 6 з підсилювачем. Ослаблений потік оптичного випромінювання перетворюється в змінну напругу, яка синхронно детектується за допомогою синхронного детектора 8 і у вигляді напруги U3 (3) поступає на цифровий вольтметр 9. Результат вимірювання N3 (N3 = Sпр.U3) запам'ятовується. В четвертому такті поршень 13 і дзеркало 18 встановлюють в нижнє положення (див. рисунок). Дзеркало 19 встановлюють в верхнє положення. У цьому такті вимірюють ослаблений потік оптичного випромінювання, який пройшов через циліндричну камеру змінної форми 12 з нормованою за значенням концентрацією С0 пилогазового потоку та через пилогазовий потік невідомої концентрації С х при довжинах цих камер l0 і l1, причому заздалегідь вибирається {l0}={l1}. Вихідна напруга U4 (4) синхронного детектора 8 вимірюється за допомогою цифрового вольтметра 9, а результат вимірювання N4 (N4 =Sпр.U4) запам'ятовується. У п`ятому такті поршень 13 встановлюється в верхнє положення, а дзеркало 19 - в нижнє положення. В цьому такті камера змінної форми і робоча камера мають довжини kлl0 і kлl1. При цьому kл{l0}=kл{l1} .В результаті вимірювання на виході синхронного детектора 8 одержують напругу U 5 (5), яка вимірюється за допомогою цифрового вольтметра 9. Результат вимірювання N5 (N5= Sпр.U5) запам'ятовується. Про дійсне значення концентрації пилогазового потоку судять згідно з рівняння числових значень: æ N - N1 N3 - N1 ö 1 ÷ Nx = {C x } = lnç 5 / (k - 1)k 2l0 ç N4 - N1 N2 - N1 ÷ è ø Позитивний ефект, отриманий завдяки введенню нової сукупності та послідовності операції вимірювань нормованої та невідомої за значенням концентрації при різних значеннях довжини шляху, що проходить потік оптичного випромінювання і використання нового рівняння надлишкових вимірювань. Таким чином, запропонований оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань концентрації пилу забезпечує вирішення зазначеної задачі.