Цифровий вимірювач концентрації пилу

Цифровий вимірювач концентрації пилу, що містить цифровий відліковий пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій, мікроконтролер і перетворювач "код-напруга", які з'єднані між собою через загальну шину, та оптико-механічний блок, що складається із коаксіально розташованих циліндричних патрубків, внутрішній з яких є частиною пилогазопроводу, перпендикулярно вертикальній осі циліндричних патрубків врізані два додаткові патрубки, всередині першого з яких послідовно розташовані вздовж основної оптичної осі перше відбиваюче дзеркало і перше скляне вікно, всередині другого додаткового патрубка розміщені друге скляне вікно і перша фокусуюча лінза, зовні другого додаткового патрубка оптико-механічного блока розташовані вздовж тієї ж оптичної осі напівпрозора пластина, друга фокусуюча лінза і джерело оптичного випромінювання, в місці фокусування якого розташований обтюраторний диск, який жо C2 2 UA 1 3 78366 4 вача, блок фотоприймача, які містять захисні стеВ основу винаходу покладена задача створенкла з нанесеним на них провідниковим шаром, а ня такого цифрового вимірювача концентрації питакож короніруючі електроди, що підключені до лу, у якому шляхом введення заданої кількості провідникового шару захисних стекол. функціональних блоків та їх зв'язків між собою та з Відомий вимірювач концентрації пилу забезвідомими блоками, забезпечувало б підвищення печує зменшення запиленості захисних стекол. точності визначення концентрації пилу при нестаАле в ньому не виключаються похибки, що обумобільній функції перетворення оптичного сигналу в влені нестабільністю нестабільністю функції переелектричний сигнал та при запотіванні і забрудтворення фотоприймача в результаті дії зовнішніх ненні оптичних елементів, що розташовані поблидестабілізуючих факторів. Це приводить до знизу газопилового потоку. ження точності вимірювання концентрації пилу Поставлена задача вирішується завдяки тому, зазначеним способом. що цифровий вимірювач концентрації пилу містить Відомий вимірювач концентрації пилу [див. авцифровий відліковий пристрій, постійний запам'я торское свидетельство №811 1758519 A1, кл. товуючий пристрій, мікроконтролер і перетворюG01N 15/02 В.И. Тупихин, П.У. Костогрыз и О.Н. вач "код-напруга", що з'єднані між собою через Сидельникова. Способ автоматического измерезагальну шину, оптико-механічний блок, що склания пыли в газопылевых средах.], що містить джедається із коаксіально розташованих патрубків, рело, дзеркала, лінзи, обтюратор, вимірювальний внутрішній із яких є частиною пилогазопроводу, об'єм, фотоприймач, діафрагму, плоский імітатор перпендикулярно вертикальній осі циліндричних досліджуваного пилу, підсилювач, виконуючий патрубків врізано два додаткових патрубки, всеремеханізм, шкалу концентрації пилу та пастку, що дині першого із яких послідовно розташовані з'єднані між собою відповідним чином. вздовж основної оптичної осі відбивне дзеркало і Відомому вимірювачу концентрації пилу також перше скляне вікно, всередині другого додатковопритаманна недостатня точність вимірювання, яка го патрубка розміщене друге скляне вікно і перша обумовлена наявністю мультиплікативної складофокусуюча лінза, назовні другого додаткового павої похибки вимірювання, похибки, що обумовлена трубка оптико-механічного блока розташована неідентичністю характеристик каналів перетвовздовж тієї ж оптичної осі напівпрозора пластина, рення, наявністю похибки імітації газопилового друга фокусуюча лінза і джерело оптичного випотоку, а також похибки позиціонування діафрагпромінювання, в місці концентрації (фокусування) ми. Крім того, на результат вимірювання впливає якого розташований обтюраторний диск, який жозапотівання і забруднення стекол, через які прохорстко з'єднаний з синхродвигуном, вхід управління дить оптичне випромінювання. якого під'єднаний через перетворювач "кодНайбільш близьким по своїй технічній сутності напруга" з загальною шиною, при цьому напівпроє вимірювач концентрації пилу [Клименко А.П. и зора пластина оптично з'єднана також через третю др./ А.П. Клименко, В.И. Королёв, В.И. Шевцов, фокусуючу лінзу, з фотоприймачем, вихід якого К.: Те хника, 1980. - 181с., Оптические абсорбципідключений до сигнального входу синхронного онные пылемеры, выпускаемые зарубежными фидетектора, управляючий вхід якого з'єднаний з рмами, ст. 89 рис.21], що містить оптиковиходом фотоприймача-формувача, вхід якого механічний блок, що складається із коаксіально оптично з'єднаний через обтюраторний диск, з розташованих патрубків, внутрішній із яких є часвиходом світлодіода, що відрізняється тим, що в тиною пилогазопроводу, перпендикулярно вертивимірювач додатково введені діафрагма з механікальній осі циліндричних патрубків врізано два змом управління, силіконова камера порівняння з додаткових патрубки, всередині першого із яких пилогазовою сумішшю заданої концентрації, що послідовно розташовані вздовж основної оптичної змінює форму, третє і четверте скляні вікна, наосі відбивне дзеркало і перше скляне вікно, всереправляючий патрубок і поршень з механізмом педині другого додаткового патрубка розміщене друреміщення, друге і третє рухомі відбиваючі дзерге скляне вікно і перша фокусуюча лінза, назовні кала з механізмами переміщення і перетворювач другого додаткового патрубка оптико-механічного "аналог-код", вхід якого підключений до виходу блока розташована вздовж тієї ж оптичної осі насинхронного детектора, вихід з'єднаний з загальпівпрозора пластина, друга фокусуюча лінза і ною шиною, до якої підключені і входи управління джерело оптичного випромінювання, в місці конмеханізмів переміщення і механізму управління з центрації (фокусування) якого розташований обдіафрагмою, що розташована між третьою фокутюраторний диск, який жорстко з'єднаний з синсуючою лінзою і фотоприймачем, в першому дохродвигуном, при цьому напівпрозора пластина датковому патрубку між відбиваючим дзеркалом і оптично з'єднана також, через третю фокусуючу другим скляним вікном розташовано перпендикулінзу, з фотоприймачем. лярно основній оптичній осі третє скляне вікно, в Відомому вимірювачу концентрації пилу власдругому додатковому патрубку оптико-механічного тиві недоліки, обумовлені неідентичністю каналів блока між другим скляним вікном і першою фокуперетворення потужності потоків випромінювання суючою лінзою розташовані перпендикулярно осв електричний сигнал, нестабільністю функції пеновній оптичній вісі відповідно четверте скляне ретворення фотоприймача, обумовленої дією зоввікно і силіконова камера порівняння, що змінює нішніх дестабілізуючих факторів, труднощами фоформу, з зовнішньою нижньою частиною якої жоррмування двох ідентичних потоків стко з'єднаний торець поршня, при цьому друге випромінювання, а також запотіванням і забрудрухоме відбиваюче дзеркало розташовано між ненням дзеркал, розташованих у газопилових постінками направляючого патрубка і зовнішньою токах. стінкою лівої частини пилогазопроводу, третє ру 5 78366 6 хоме відбиваюче дзеркало розташовано між зовканалу, відбивається від дзеркала 20 і напівпрозонішньою стінкою правої частини пилогазопроводу і рої пластини 7 і через фокусуючу лінзу 10 на фовнутрішньою стінкою зовнішнього із коаксіально топриймач з підсилювачем 9 не поступає. розташованого циліндричного патрубка оптикоВ першому такті в постійну напругу U1 перемеханічного блока. творюється потужність Ф1 потоку випромінювання На малюнку наведена структурна схема принульової інтенсивності, тобто {Ф1} = 0. Напруга строю для вимірювання концентрації пилу, де 1 U1 = DUH (1) генератор оптичного випромінювання; 2 - перетвоза допомогою АЦП 25 перетворюється у код рювач "код-напруга"; 3 - фокусуюча лінза; 4 - синчисла: хродвигун; 5 - світлодіод; 6 - обтюраторний диск; 7 N1 = Sпр × U1 , (2) - напівпрозора пластина; 8 - механізм управління з де Sпр - крутизна перетворення АЦП. діафрагмою; 9 - фотоприймач з підсилювачем; 10 Отримане значення N1 (2) напруги U1 (1) запафокусуюча лінза; 11 - фотоприймач-формувач; 12 - синхронний детектор; 13 - оптико-механічний м'ятовується у ПЗП 29. В др угому такті по команді з мікроконтролера 28 включається синхродвигун вузол, що включає в себе лінзу 14, циліндричну 26, за допомогою якого відбивне дзеркало 21 камеру змінної форми 15, поршень 16, три оглядовстановлюється в крайнє верхнє положення (див. ві стекла 17, 18, 19, 20 - перше відбивне дзеркало; малюнок). Також такті по команді з мікроконтроледруге і третє відбиваючі дзеркала 21 і 22 відповідно; 23 - механізм переміщення; 24 - трубопровід ра 28 сигнал керування поступає на механізм управління з діафрагмою 8 і відкриває останню. для пилогазового потоку; 25 -перетворювач "анаПотік оптичного випромінювання, що формулог-код"; 26 і 27 - синхродвигуни; 28 - мікроконтроється генератором оптичного випромінювання 1 і лер; 29 - постійний запам'ятовуючий пристрій; 30 проходить по оптичному каналу через фокусуючу цифровий відліковий пристрій; 31 - загальна шина. Припустимо, що реальна функція перетворенлінзу 3, обтюраторний диск 6, напівпрозору пластину 7, лінзу 14, циліндричну камеру змінної форня фотоприймача описується рівнянням величин ми 15 і оглядове скло 17, відбивається від дзерка' ' Ux = S лF x + DUH , ла 21 і через оглядове скло 17, циліндричну камеру змінної форми 15, лінзу 14 поступає на де S'л - крутість (чутливість) перетворення напівпрозору пластину 7, відбивається від неї і реальної функції перетворення вимірювального через фокусуючу лінзу 10 і відкриту діафрагму 8 ' каналу Sл = { л }× (1+ g л ; gл - відносне відхиленS поступає на фотоприймач з підсилювачем 9. ня чутливості вимірювального каналу від номінаОскільки в цьому такті потік оптичного випромінювання проходить через пилогазовий потік з ' льного значення (g л = D Sл / Sл ) ) ; DUH - реальне товщиною шар у l0 та з відомою концентрацією С 0, за розміром зміщення функції перетворення то у цьому такті вимірюється потужність послаб' леного потоку оптичного випромінювання Ф0. В DUH = {D UH} + {D a } , DUH - номінальне за розмірезультаті на вихід АЦП поступає напруга ром зміщення функції перетворення; Da - адитивU2 = S лe( -k1C0l0 -A oo ) + DU , (3) на складова похибки перетворення. де Aoo - коефіцієнт поглинання потоку оптичноВідомо, що потужність потоку оптичного виго випромінювання за рахунок запотівання оптичпромінення, який пройшов через пилогазове серених елементів. довище, послаблюється згідно з законом ЛамберЗа допомогою АЦП 25 напруга U2 (3) перетвота-Бугера-Бера рюється у код числа ( -k1Cx L0 ) F x = F 0e , N2 = Sпр × U2 , (4) де Ф0 - початкова потужність потоку випроміОтримане значення n1 (4) запам'ятовується у нювання, k1 - питомий показник поглинання світла ПЗП 29. на одиницю концентрації речовини, l0 - товщина У третьому такті за командою з мікроконтрошару речовини, Сх - концентрація речовини. лера 28, що поступає на вхід керування механізму Розглянемо роботу цифрового вимірювача переміщення 23, здійснюється переміщення у верконцентрації пилу. Після включення живлення мехнє положення поршня, що показано на малюнку ханізм управління з діафрагмою 8, поршень 16, пунктирними лініями. В результаті товщина шар у l0 дзеркала 21 та 22 встановлюються в положення, пилогазового потоку збільшиться у kл раз, тобто що показано на малюнку. Включається генератор {l2 } = k л {l0 }. оптичного випромінювання 1, а також синхродвигун 4 з обтюраторним диском 6. За допомогою Потік оптичного випромінювання від генератообтюраторного диску 6 здійснюється модуляція ра оптичного випромінювання 1 проходить по оппотоку оптичного випромінювання. Цифровий відтичному каналу через фокусуючу лінзу 3, обтюраліковий пристрій 30 показує нулі. торний диск 6, напівпрозору пластину 7, лінзу 14, Робота пристрою складається з п'яти тактів циліндричну камеру змінної форми 15 (з товщиною вимірювання і одного такту обчислення кінцевого шару l2), оглядове скло 17 і друге оглядове скло результату. 18, поступає на дзеркало 21, відбивається і звороВ першому такті по команді з мікроконтролера тнім ходом поступає на напівпрозору пластину 7, 28 на механізм управління з діафрагмою 8 постувідбивається від неї і за допомогою фокусуючої пає код числа, що забезпечує закриття діафрагми. лінзи 10 фокусується на вхід фо топриймача з підВ результаті світловий потік, що проходить від силювачем 9. джерела оптичного випромінювання по оптичному ({ } ) { } { } 7 78366 8 Послаблений потік оптичного випромінювання допомогою фокусуючої лінзи 10 фокусується на перетворюється у постійну напругу вхід фотоприймача з підсилювачем 9. Постійна напруга U = S e( -k1C0l0 -A oo ) + DU , (5) 3 л яка поступає на АЦП 25. Па ви ході АЦП 25 формується код числа N3 = Sпр × U3 , (6) який запам'ятовується у ПЗП 29. У четвертому такті за командою з мікроконтролера 28 за допомогою синхродвигуна 26 дзеркало 21 встановлюється в початкове положення, яке показано на малюнку, а за допомогою синхродвигуна 27 дзеркало 22 встановлюється у верхнє положення. Після цього по команді з мікроконтролера 28 на вхід керування механізму переміщення 23 поступає код числа, що встановлює поршень 16 в нижнє положення. Потік оптичного випромінювання Ф0 проходить через пилогазові потоки з відомою С 0 і невідомою Сх концентраціями при їх товщинах шарів l0 і l1 відповідно. Потік оптичного випромінювання від генератора оптичного випромінювання 1 проходить по оптичному каналу, поступає на відбиваюче дзеркало 22, відбивається і зворотнім ходом поступає на напівпрозору пластину 7. Відбитий від напівпрозорої пластини 7, потік оптичного випромінювання за допомогою фокусуючої лінзи 10 фокусується на вхід фотоприймача з підсилювачем 9. Перетворюють послаблений потік оптичного випромінювання Ф4 у напругу ( -k1C0l 0 -k 2Cx l1 - A oo - A пз ) U4 = S лe + D U , (7) де Aпз - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання за рахунок забруднення оптичних елементів. Після АЦП маємо: N4 = Sпр × U 4 , (8) Отримане значення N1 (4) запам'ятовується у ПЗП 29. У п’ятому такті за командою з мікроконтролера 28 за допомогою синхродвигуна 27 дзеркало 22 встановлюється в крайнє нижнє положення, яке показано на малюнку. По іншій команді з мікроконтролера 28 на вхід керування механізму переміщення 23 поступає код числа, що встановлює поршень 16 в верхнє положення. Змінюють товщину l1 шару в kл раз, тобто встановлюють значення товщини шару рівним {l3 } = k л {l1} Пропускають потік оптичного випромінювання Ф0 через пилогазові потоки з відомою C0 і невідомою Сх концентраціями при одних і тих же значеннях товщин шарів l2 і l3 ({l2 } = k л {0 }{3 } = k л {l1}) відl ,l повідно. Потік оптичного випромінювання від генератора оптичного випромінювання 1 проходить по оптичному каналу через фокусуючу лінзу 3, обтюраторний диск 6, напівпрозору пластину 7, лінзу 14, циліндричну камеру змінної форми 15 (з товщиною шару l 2), оглядові стекла 17, 18 і 19 відповідно, поступає на відбиваюче дзеркало 20, відбивається і зворотнім ходом поступає на напівпрозору пластину 7. Відбитий від напівпрозорої пластини 7, потік оптичного випромінювання за U5 = S лe(- k1C0l 0kл -k 2Cxl1k л -A oo - A пз ) + D U (9) в яку перетворено потік оптичного випромінювання Ф5, що пройшов через пилогазові потоки з відомою і невідомою концентраціями при одних і тих же значеннях товщин шарів l2 і l3 ({l2 } = k л {l0 }{l3 } = k л {l1}) за допомогою АЦП 25 пе, ретворюється у код числа: N5 = Sпр × U5 . (10) Даний код числа запам'ятовується у ПЗП 29. Отримані результати проміжних вимірювань обробляють згідно з рівнянням числових значень æ N - N1 N3 - N1 ö 1 ÷ NCx = lnç 5 / (1- k л )k2 {l0 } ç N4 - N1 N2 - N1 ÷ è ø де k2 - коефіцієнт поглинання пилу на одиницю речовини, {l0} - розмір товщини шару, причому вибрано {l0}= {l1} Покажемо, що дійсно за допомогою запропонованого рівняння надлишкових вимірювань забезпечується одержання позитивного ефекту. Для цього в рівняння (11) підставимо аналітичні вирази (2), (4), (6), (8), (10) та зробимо спрощення: æ N - N1 N3 - N1 ö 1 1 ÷= lnç 5 / ´ (1 - k л )k 2 {l0} ç N4 - N1 N2 - N1 ÷ (1- k л )k 2 {0 } l è ø NCx = ( ) ( ) ( æ S × S e( -k 1C0 l0 k л -k 2C xl 1k л -A oo -Aпз ) + DU - S × DU пр ç пр л ç (-k 1C 0l 0 -k 2C xl 1 -A oo -A пз ) + D U - Sпр × D U ç Sпр × Sлe ´ ln ç ( -k 1C0 l0 k л -A oo ) + D U - Sпр × D U ç Sпр × Sл e ç S × S e( -k 1C0 l 0 - Aoo ) + D U - S × D U пр л пр è 1 = ´ (1 - k л )k 2 {l0} ( ( ( )( ) ( ) ) ) ) ö /÷ ÷ ÷= ÷ ÷ ÷ ø ( -k 1C0 l 0k л -k 2 Cx l1k л - Aoo -A пз +k 1C 0l 0 + k 2C xl 0 +A oo +A пз +k 1C 0l 0k л + Aoo -k 1C 0l 0 - Aoo ) ´ ln e 1 = × Cx k 2l0( -k л + 1) = Cx (1 - k л )k 2 {l0} Описаний вимірювач 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. Позитивний ефект, отриманий завдяки введенню в цифровий вимірювач концентрації пилу заданої кількості функціональних блоків та їх зв'язків між собою та з відомими блоками, забезпечує 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. Таким чином, запропонований цифровий вимірювач концентрації пилу забезпечує вирішення зазначеної задачі. = 9 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 78366 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601