Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: горная автоматика, а более конкретно-контроль состава отработанных газов, для управления топками электростанций, котельных и других термических установок, в которых сжигается уголь или мазут, а также для управления вентиляцией и пылеулавливанием угольных шахт и различных предприятий. Сущность изобретения: устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг напротив друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соедиеннные измеритель разности и измеритель отношений, снабжено дополнительным фотоприемником, вычислительным блоком, измерителем отношений, тремя измерителями разности и десятью цепями из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3 1,7 м, 3,0 3,4, 4,1 4,5, 4,5 4,7 и 7,6 8,4 мкм. 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2047857
Класс(ы) патента: G01N15/02, E21F5/00
Номер заявки: 5030582/25
Дата подачи заявки: 04.03.1992
Дата публикации: 10.11.1995
Заявитель(и): Комплексный научно-исследовательский и проектно- конструкторский институт обогащения твердых горючих ископаемых "ИОТТ"
Автор(ы): Горлов Ю.И.; Онищенко А.М.; Ивашов А.В.
Патентообладатель(и): Горлов Юрий Иванович; Онищенко Александр Михайлович; Ивашов Александр Владимирович
Описание изобретения: Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к контролю состава отработанных газов, и может быть использовано для управления топками электростанций, котельных и других термических установок, в которых сжигается уголь или мазут, а также для управления вентиляцией и пылеулавливанием угольных шахт и различных предприятий.
Известен абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, модулятор потока излучения, расположенный на оптической оси источника излучения, сравнительный и измерительные оптические каналы, включающие сравнительную и измерительную кюветы с фильтрами, приемник излучения, оптически связанный с упомянутыми кюветами и регистрирующий прибор, в котором для повышения точности и чувствительности измерительные кюветы расположены под сравнительной кюветой параллельно одна другой, а модулятор потока излучения выполнен в виде пар призм, совмещенных по диагонали с возможностью перемещения призм в каждой паре одна относительно другой по нормали к поверхности их разделения, при этом половина пар призм установлена на входах кювет, а другая половина на выходах [1]
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с влиянием флуктуаций содержания пыли и неучетом истинной концентрации пыли.
Известно устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соединенные измеритель разности и измеритель отношений, который для повышения точности снабжен вращающимся обтюратором с двумя подвижными коллиматорами, блоком хранения-выборки, логарифматором, двумя блоками умножения, генератором импульсов, делителем частоты, управляемым коммутатором, целью из последовательно соединенных второго блока хранения-выборки, второго логарифматора, оперативного запоминающего устройства, двух измерителей разности и измерителя отношений, а также цепью из последовательно соединенных третьего блока хранения-выборки и трех измерителей отношений, причем информационный вход управляемого коммутатора соединен с выходом инфракрасного фотодиода, первый управляющий вход соединен с первым выходом генератора импульсов, второй управляющий вход соединен с входом запоминающего устройства и с выходом делителя частоты, вход которого соединен со вторым выходом генератора импульсов, а выходы управляемого коммутатора соединены с входами блоков хранения-выборки, выход первого из которых соединен с вторым входом второго измерителя отношений, а выход третьего блока хранения-выборки через первый логарифматор соединен с вторым входом первого измерителя разности, выходы первого и четвертого измерителей отношений соединены с вторым и третьим входами порогового блока, четвертый вход которого соединен с вторым задатчиком, выход третьего измерителя отношений соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком, а выход соединен с вторым входом второго измерителя разности, второй вход третьего измерителя отношений соединен с четвертым задатчиком, второй вход четвертого измерителя отношений соединен с пятым задатчиком и с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком, а выход соединен с вторым входом первого измерителя отношений, при этом неподвижный коллиматор выполнен расширяющимся и установлен у лазерного инфракрасного светодиода широкой стороной к инфракрасному фотодиоду, первый подвижный коллиматор выполнен сужающимся и установлен перед инфракрасным фотодиодом одной лопасти обтюратора узкой стороной к светодиоду, а второй подвижный коллиматор выполнен кольцевым и установлен на второй лопасти обтюратора [2]
Недостатками известного устройства являются невозможность измерения содержаний пыли, угля, влаги, угарного и углекислого газов в отработавших газах и низкая точность измерений за счет влияния изменений интенсивности инфракрасного излучения, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем дополнительного измерения содержаний пыли, угля, влаги, угарного и углекислого газов в отработанных газах при одновременном повышении точности за счет устранения влияний изменения интенсивности инфракрасного излучения, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработавших газов, а также одновременное упрощение устройства.
Цель достигается тем, что устройство автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соединенные измеритель разности и измеритель отношений, снабжено дополнительным фотоприемником, вычислительным блоком, измерителем отношений, тремя измерителями разности и десятью цепями из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7, 3,0-3,4, 4,1-4,5, 4,5-4,7 и 7,6-8,4 мкм, при этом выходы фотоприемников соединены со входами усилителей, выходы пяти полосовых фильтров от выходов дополнительного фотоприемника соединены с первыми входами измерителей разности, ко вторым входам которых подключены выходы задатчиков, выходы измерителей разности соединены с первыми входами измерителей отношений, ко вторым входам которых подключены выходы пяти полосовых фильтров от выходов фотоприемника, выходы пяти измерителей отношений соединены со входами вычислительного блока, выход которого соединен со входом блока индикации и регистрации.
Изобретательский акт при создании устройства состоит в преодолении технического противоречия. Суть противоречия заключается в следующем. Для расширения функциональных возможностей при обычном инженерном проектировании усложняют устройство введением дополнительных каналов. Для устранения каждого влияющего действия получают специальный корректирующий сигнал о действии, что также усложняет устройство. В предложенном устройстве расширение функциональных возможностей и повышение точности путем устранения влияния трех сильных возмущающих факторов достигнуты одновременно не только без дополнительного усложнения устройства, но и при упрощении устройства по сравнению с прототипом. Для преодоления технического противоречия необходимы и достаточны все отличительные признаки устройства: 1) дополнительный фотоприемник, 2) вычислительный блок, 3) измеритель отношений, 4) три измерителя разности, 5) десять цепей из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, 6) дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, 7) оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7, 3,0-3,4, 4,1-4,5, 4,5-4,7 и 7,6-8,4 мкм, 8) выходы фотоприемников соединены со входами усилителей, 9) выходы пяти полосовых фильтров от выходов дополнительного фотоприемника соединены с первыми входами измерителей разности, 10) ко вторым входам измерителей разности подключены выходы задатчиков, 11) выходы измерителей разности соединены с первыми входами измерителей отношений, 12) ко вторым входам измерителей отношений подключены выходы пяти полосовых фильтров от выходов фотоприемника, 13) выходы пяти измерителей отношений соединены со входами вычислительного блока, 14) выход вычислительного блока соединен со входом блока индикации и регистрации. Первый пятый, восьмой и 14-й признаки известны сами по себе по отдельности, однако для преодоления технического противоречия, т.е. для достижения поставленной цели, они никогда ранее не служили. Остальные семь признаков неизвестны даже по отдельности сами по себе. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из 14 отличительных признаков, то цель не будет достигнута. Это однозначно следует из приведенного ниже описания. Поэтому совокупность 14 отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг.1 показаны спектры ослабления (поглощения) инфракрасного излучения (далее ИК-излучения) влагой H2О, СО, СH4, N2О, О3, СО2, HDO и солнечный спектр ИК-излучения; на фиг.2 зависимости коэффициентов ослабления ИК-излучения угольной пылью (кривая 1), известняковой пылью (кривая 2), песканиковой пылью (кривая 3) от длины волны λ; на фиг.3 зависимости интенсивности прошедшего Iп и рассеянного вперед IрИК-излучения через слой дыма толщиной d от общего содержания пыли Сп в отработавших газах; на фиг.4 зависимости отношения интенсивностей ηп= Iр/Iп от Сп при 0 < Cп < 170 г/м3; на фиг.5 зависимости отношения ηп Iр/Iп от Сп при 170 г/м3 < Cп < 340 г/м3; на фиг.6 зависимости абсолютных значений относительных чувствительностей прошедшегоSп| и рассеянного впередSp| ИК-излучения к содержанию общей пыли в дыме Спот самого содержания Сп, а также зависимость абсолютного значения относительной чувствительности отношенияSo| от Сп; на фиг.7 функциональная схема устройства для автоматического контроля состава отработавших газов.
Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.
Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения Iп экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли в дыме Сппо формуле
Iп Iоп exр(-KпdCп), (1) где Iоп интенсивность прошедшего ИК-излучения при Сп 0; Кп коэффициент ослабления ИК-излучения пылью. Если d измеряется в метрах (м), а содержание Сп измеряется в г/м3, то для получения безразмерного произведения КпСпd коэффициент Кп необходимо выразить в м2/г.
Интенсивность рассеянного в направлении вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения Iр изменяется с изменением Сп по формуле
Ip Iоp + σп dCп exр (- КрdCп), (2) где Iор интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при Сп 0; σп- коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, Кр коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью. Если Сп измеряется в г/м3, а d в м, то σп, Кр и Кп выражаются в м2/г.
Чтобы обеспечить независимость интенсивностей Iп и Iр от влияния изменений влаги, СО, СО2, других газов в дыме, а также от изменений содержаний песчаниковой Спс и известняковой Си (т.е. устранить влияние перераспределений содержаний угольной Су, песчаниковой Спс и известняковой Си пыли при Сп Су + Cпс + Cи cоnst) нужно выбрать соответствующим образом длину волны для определения Сп.
Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 7,6-8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения основными газовыми компонентами дымовых газов и в этом диапазоне длин волн отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой. Кроме того, в данном диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой Кпс и известняковой Ки пылью близки друг к другу Кпс ≈ Ки. Поэтому в диапазоне длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм интенсивности прошедшего Iп и рассеянного вперед Iр ИК-излучения будут зависеть лишь от общего содержания пыли в дыме Сп и никак не будут зависеть от перераспределения содержаний Су, Спс и Си при Сп соnst.
Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения 3,0-3,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и дымовыми газами, содержания которых может сильно меняться, углекислым и угарным газами. Содержание метана в дымовых газах пренебрежимо мало, поэтому метан не оказывает заметного влияния на ослабление и рассеивание ИК-излучения. Поэтому коэффициентами ослабления и рассеивания ИК-излучения в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм влагой Кв, угарными Кг и углекислым Кк газами можно пренебречь, так как они не менее чем в сотни раз меньше по сравнению с коэффициентами ослабления ИК-излучения различными компонентами пыли: Кв ≈ 0, Кг ≈ 0, Кп >> Кв,Кп >> Кг, Кп >> Кк, Ку >> Кв, Ку >> Кг, Ку >> Кк, Кпс >> Кв, Кпс >> Кг, Кпс >> Кк, Ки >> Кв, Ки >> Кг, Ки >> Кк.
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм коэффициенты ослабления ИК-излучения известняковой и песчаниковой пылью примерно равны между собой Ки ≈ Кпс. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной пылью почти в три раза отличаются от коэффициентов ослабления ИК-излучения компонентами породной пыли (известковой и песчаниковой).
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 4,1-4,5 мкм находится сильная полоса поглощения ИК-излучения углекислым газом СО2, отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излученя влагой и другими дымовыми газами, содержания которых в дыме может сильно меняться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излученя песчаниковой Кпс и известняковой пылью Ки примерно равны между собой и в 2,6 раза отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью.
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 4,5-4,7 мкм находится сильная полоса поглощения ИК-излучения угарным газом СО2, отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и другими дымовыми газами, содержания которых в дыме может сильно меняться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой Кпс и известняковой Ки пылью примерно равны между собой и в 2,5 раза отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью Ку.
Таким образом в диапазоне длин волн интенсивности излучения зависят только от содержания общей пыли Сп 7,6-8,4 мкм. В диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм интенсивности в основном зависят от содержаний Сп и Спор Cпс + Cи. В диапазоне длин волн от 4,1 до 4,5 мкм интенсивности зависят от содержания углекислого газа, угольной и породной пыли. В диапазоне длин волн 4,5-4,7 мкм интенсивности в основном зависят от содержания угарного газа, угольной и породной пыли.
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 1,3-1,7 мкм находятся сильные полосы ослабления ИК-излучения влагой, отсутствуют сильные полосы ослабления ИК-излучения дымовыми газами, содержания которых в дыме могут сильно изменяться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой и известняковой пылью примерно равны между собой и почти в 5 раз отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью. Здесь интенсивности в основном зависят от содержаний влаги, угольной и породной пыли в дыме.
Таким образом диапазоны длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм для задач раздельного контроля общего содержания пыли в дыме Сп и контроля содержания угольной пыли в дыме Су являются оптимальными: в первом диапазоне длин волн обеспечивается высокоточное измерение Сп, а во втором высокоточное измерение Су Сп Спор Сп Cпс Си. Диапазоны длин волн 4,1-4,5 мкм, 4,5-4,7 мкм и 1,3-1,7 мкм являются оптимальными для высокоточного измерения содержаний соответственно углекислого газа Ск, угарного газа Сг и влаги Св, так как в этих диапазонах длин волн интенсивности зависят соответственно: от углекислого газа, угольной и породной пыли; от угарного газа, угольной и породной пыли; от влаги, угольной и породной пыли.
Из показанных на фиг.3 зависимостей Iп f(Cп) и Iр f1(Cп) видно, что с ростом Сп первая интенсивность Iп экспоненциально уменьшается. С ростом Сп интенсивность Iр растет в диапазоне изменений Сп от 0 до Cпмакс когда (+ КрCпмакс d) 1, т.е. когда Cпмаксрd)-1.
В этом диапазоне изменений Сп от 0 до Cпмаксрd)-1 величина отношения интенсивностей
ηп [I + σп dCп exр (- KрdCп)] [Ioп x
x eхр(-KпdCп)]-1 (3) плавно растет с ростом Сп, что и показано на фиг.4 и 5. Видно, что зависимость ηп f2(Cп) идет более круто, чем зависимости Iп f(Cп) или Iр f2(Cп). Чтобы оценить выигрыш в увеличении чувствительности отношения So к общему содержанию пыли Сп как и к содержанию угольной пыли Су против соответствующих чувствительностей прошедшего Sп и рассеянного вперед Sр ИК-излучения при регистрации соответственно Iп и Iр оценим сами эти чувствительности.
Относительная чувствительность к Сп (или к Су) или к любому другому компоненту пыли интенсивности прошедшего ИК-излучения Iп по абсолютному изменению Сп из (I) запишется в виде
Sп Kпd=const
(4) и не зависит от изменений Сп (или соответственно от Су, Сг, Ск, Св).
Относительная чувствительность к Сп интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения Iр по абсолютному изменению содержания Сп или Су из (2) запишется в виде
(-KпdCп)](1-KрdCп)[Iор+
p(-KуdCу)](1-KруdCу)[Iору+
(5)
Относительная чувствительность отношения ηп или ηу к Сп или к Суиз (3) запишется в виде
So (∂ηп/∂ Сп) ηп-1 Iо-1[IopKпdCп eхр x x(-Kпп) + Cп σп d eхр (-KрdCп + KпdCп)](1-KрdCп + КпdCп)Iоп eхр (-KпdCп) [I + σп dCп x x eхр (- KрdCп)] -1,
Soy (∂ηу/∂Cyу-1= I-1[IoруKуdCyeхр(-KуdCy)+<σ>уdCyeхр (-KdCy +
KуdCу)] (1-KpydCy + KydCy) I ехр (-KydCy)[IopууdCуехр (-KdCу)] -1
(6)
Аналогично (4), (5) и (6) запишутся и относительные чувствительности прошедшего, и рассеянного вперед ИК-излучения или отношения интенсивностей к Сг, Ск или к Св.
Графики зависимостей Sп|Sp| иSо| от Сп приведены на фиг.6. Видно, что относительная чувствительность к Сп величины отношения So в пределах концентраций 0 < Cп < Cпмакс является наибольшей.
Анализ формулы (3) показывает, что одинаковые относительные изменения интенсивностей Iп и Iр (во сколько бы раз они одновременно не изменялись) не приводят ни к малейшим изменениям отношения ηп. Поэтому величина отношения интенсивностей никак не изменится ни от изменения интенсивностей от источника излучения, ни от загрязнения окон источника или фотоприемника, ни от изменений температуры отработавших газов, так как любая из этих трех причин приводит к одинаковым относительным изменениям обоих интенсивностей Iп и Iр.
Зависимость ηп f2(Cп) по формуле (3) представляет собой трансцендентное уравнение, из которого Сп в явном виде не выражается, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким методам численного решения уравнения (3) относительно Сп. Как видно из графиков на фиг.4 и фиг.5, зависимость ηп f2(Cп) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением
ηп апСп2 + bпСп,
ηу ауСу2 + bуСу апп2 + bппуппор)2 + bуппор) апп2 + bпп,
ηк акСк2 + bкСк aуу2 + by'Cy
апорСпор2 + bпорCпор, Спор Сп Су,
ηг агСг2 + bгСг ау''Су2 + b''Cупорпор2 + bпор' Спор,
ηв авСв2 + bвСв аy'''Су2 + by'''Супор''Спор2 + bпор''Спор.
(7) В общем случае зависимости (7) являются квадратичными параболами, имеющими восходящую ветвь, пологий максимум и падающую ветвь. Середина пологого максимума достигается при равенстве нулю производной от отношения по соответствующему содержанию
∂ηп/∂ СппСп' + bп 0,
∂ηу/∂ CууСу'+ bу 0,
∂ηк/∂ CккСк' + bк 0,
∂ηг/∂ СггСг' + bг 0,
∂ηв/∂ Cв 2 aвСв' bв 0, (8) что соответствует содержаниям Сп' bп(2ап)-1, Су' bу (2ау)-1, Сг' bг (2аг)-1, Ск '= bк(2ак)-1, Cв' bв(2ав)-1. Погрешности аппроксимации на рабочем участке не превышают 0,2% от измеряемых содержаний во всем диапазоне их изменений от 0 до 0,9 Сп' (или соответственно 0,9 Су', 0,9 Сг', 0,9 Ск' или 0,9 Св'). Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой даже по самым строгим критериям.
Из аппроксимирующих уравнений (7) можно получить два значения соответствующего содержания
Cп,1,2=(-2aп)-bп±
Cу,1,2=(-2ay)-bу ± ,
Cк,1,2=(-2aк)-bк± ,
Cг,1,2=(-2aг)-bг± ,
Cв,1,2=(-2aв)-bв± . (9)
Меньшие из значений Сп1, Cу1, Сг1, Ск1 или Св1 находятся на рабочих участках парабол (7), а большие значения Сп2, Су2, Сг2, Ск2 или Св2находятся на падающих ветвях парабол. Так как bп>
bу>
bк>
bг>
bв> то для обеспечения Cп < bп(2ап)-1, Су < bу (2ау)-1, Сг < bг (2аг)-1 Ск< bк (2ак)-1, Св < bв (2ав)-1 в формулах (9) перед корнем нужно брать знак (+), а неизвестное содержание соответствующего компонента в дыме определять по однозначным формулам
Cп1=(-2aп)-bп+,
Cу1=(-2aу)-bу+,
Cк1=(-2aк)-bк+
Cг1=(-2aг)-bг+
Cв1=(-2aв)-bв+. (10)
Для определения значений градуировочных коэффициентов уравнений (7) можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градуировки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значения коэффициентов. Один из приемлемых методов градуировки описан в книге Онищенко А.М. Оптимизация приборов для контроля состава веществ М. Машиностроение, 1990, с. 18-29, с. 155-156, с. 251-256.
Устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, представленное на фиг.7, содержит установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения 1 с коллиматором 2 и фотоприемник 3 с модулятором, представляющим собой обтюратор 4 (модулирующую диафрагму), закрепленный на валу 5 шагового двигателя 6; блок индикации и регистрации 7, пять задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12, измеритель разности 13, три измерителя отношений 14, 15 и 16, последовательно соединенные измеритель разности 17 и измеритель отношений 18.
Устройство снабжено дополнительным фотоприемником 19, вычислительным блоком 20, измерителем отношений 21, тремя измерителями разности 22, 23 и 24, десятью цепями из последовательно соединенных усилителя 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 или 34 и полосового фильтра 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 или 44.
Дополнительный фотоприемник 19 установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения (показан сплошными линиями со стрелками на фиг. 7) за модулятором 4. Оба фотоприемника 3 и 19 выполнены многодиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7 мкм, 3,0-3,4 мкм, 4,1-4,5 мкм, 4,5-4,7 мкм и 7,6-8,4 мкм. Выходы фотоприемников 3 и 19 соединены со входами усилителей 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34. Выходы пяти полосовых фильтров 35, 36, 37, 38 и 39 от выходов дополнительного фотоприемника 19 соединены с первыми входами измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24, ко вторым входам которых подключены выходы задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12. Выходы измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 соединены с первыми входами измерителей 14, 15, 16, 18 и 21, ко вторым входам которых подключены выходы пяти полосовых фильтров 44, 43, 42, 41 и 40 от выходов фотоприемника 3. Выходы пяти измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21 соединены со входами вычислительного блока 20, выход которого соединен со входом блока индикации и регистрации.
Работа устройства для автоматического контроля состава отработанных газов осуществляется следующим образом.
Коллимированный поток ИК-излучения создается источником 1 и коллиматором 2. В качестве источника 1 может быть использована, например, лампа накаливания с германиевым выходным окном, которое просвеpлено на диапазон длин волн 1,3-8,4 мкм. В качестве коллиматора может использоваться пластинка с отверстием, причем пластинка должна быть изготовлена из непрозрачного для диапазона длин волн 1,3-8,4 мкм материала, например из любого металла.
При прохождении через контролируемый объем дымового газа толщиной поток ИК-излучения ослабляется согласно формуле (1). На пяти выходах фотоприемника 3 формируются сигналы, пропорциональные интенсивностям прошедшего инфракрасного излучения согласно формулам 1. Эти сигналы усиливаются усилителями соответственно 30, 31, 32, 33 и 34 и отстраиваются от шумов в полосовых фильтрах 40, 41, 42, 43 и 44, которые настроены на частоту модуляции потока ИК-излучения обтюратором 4.
Поток рассеянного в направлении вперед ИК-излучения также проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы (сначала проходят через дым кванты ИК-излучения от источника 1 до соответствующих центров рассеивания, а затем через дым проходят кванты ИК-излучения, которые претерпели хотя бы один акт рассеивания и изменили направление первоначального распространения так, что после рассеивания они идут в направлении дополнительного фотоприемника 19). Интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения на дополнительный фотоприемник 19 в соответствующих диапазонах длин волн определяются по аналогичным к (2) формулам. На пяти выходах дополнительного фотоприемника 19 формируются сигналы, пропорциональные интенсивностям рассеянного вперед ИК-излучения согласно формулам (2). Эти сигналы усиливаются соответственно усилителями 25, 26, 27, 28 и 29 и отстраиваются от шумов в полосовых фильтрах 35, 36, 37, 38 и 39, которые настроены на частоту модуляции потока ИК-излучения обтюратором 4. Эти сигналы затем подаются на первые входы измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24. На вторые входы этих измерителей разности от задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12 подаются соответственно сигналы, численно равные, интенсивностям рассеянного вперед ИК-излучения при нулевых значениях соответствующих содержаний, т. е. соответственно сигналы Iор, Iоpу, Iорг, Iоpк и Iорв. На выходах измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 в результате формируются соответственно сигналы:
Iр' σп d Cп eхр (-KpdCп), Iрв' σв dCвeхр x
x (-KрвdCв),
I' σу dCуехр (-KруdCу),
Iрк' σк dCк eхр (-KdCк),
I' σг dCг eхр (-Kр dCг). (11)
Эти сигналы подаются на первые входы измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21, на вторые входы которых подаются соответственно сигналы Iп, Iу, Iг, Iк и Iв, которые формируются на выходах полосовых фильтров 44, 43, 42, 41 и 40.
В результате на выходах измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21 формируются соответственно сигналы, похожие на сигналы согласно (3), но отличающиеся от них отсутствием свободных членов в сигналах об интенсивностях рассеянного вперед ИК-излучения, согласно формулам: ηп'=σп dCпeхр (-KodCп) [Ioп eхр (-KпdCп)] -1, ηу'у dCуeхр (-KdCу) [I eхр (-KуdCу)-1, ηк'к dCк eхр (-KркdCк)] [Iок eхр (-KкdCк)]-1, ηг'=σг dCг eхр (-КргdC1)][I eхр (-KгdCг)]-1, ηв'=σв dCв ехр (-KdCв)][I eхр (-KвdCв)]-1.
(12)
Эти сигналы с измерителей отношений поступают на входы вычислительного блока 20. Вычислительный блок в процессе градуировки устройства заполняют значениями коэффициентов градуировочных парабол согласно уравнениям (7). По пяти поступившим на входы вычислительного блока 20 сигналам и по градуировочным коэффициентам парабол согласно уравнениям (7) вычислительный блок 20 сначала по первому уравнению системы (7) согласно первой формуле системы (10) определяет общее содержание пыли Сп в отработавших газах. После этого аналогично, зная градуировочные коэффициенты и значение Сп, по второй формуле системы уравнений (10) вычислительный блок определяет содержание угольной пыли в отработавших газах Су. По известным значениям Сп и Спор Cп CуCпс + Cи и известным градуировочным коэффициентам парабол по уравнениям (7) вычислительный блок по третьему, четвертому и пятому уравнениям системы (10) определяет соответственно содержания Ск, Сг и Св в отработавших газах.
Вычисленные вычислительным блоком 20 значения Сп, Су, Сг, Ск и Свпоступают в блок 7, где индицируются и регистрируются непосредственно в единицах соответствующих содержаний.
Формирование на выходах измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 сигналов согласно формулам (11) приводит к тому, что все градуировочные параболы согласно уравнениям (7) начинаются с нуля и являются хорошими аппроксимациями уравнений (12). В результате увеличивается точность измерений содержаний компонентов отработанных газов на краях диапазонов измерения.
П р и м е р реализации устройства. Определяли общее содержание пыли в отработавших газах Сп и содержание угольной пыли Су в пределах изменения содержаний от 0 до 340 г/м3 со средней квадратической погрешностью не более 0,5% от измеряемого содержания. Содержания угарного и углекислого газов определялось в диапазоне изменений содержаний от 0 до 20% объемных со средней квадратической погрешностью не более 0,6% от измеряемого содержания. Определялась относительная влажность отработавших газов в диапазоне изменений от 0 до 100% со средней квадратической погрешностью не более 0,6% от измеряемой влажности. Столь высокую точность измерений Сп, Су, Сг, Ск и Св не обеспечивают известные способы и устройства автоматического непрерывного контроля состава отработавших газов.
Для определения технико-экономической эффективности устройства в качестве базового объекта примем оптико-акустический газоанализатор типа ГОА-4 [3] Основными техническими преимуществами устройства по данному изобретению по сравнению с газоанализатором ГОА-4 являются:
1) расширены функциональные возможности за счет измерения содержаний Сп, Су, Св, Сг, 2) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности источника из-за изменений напряжения питания источника (из-за изменения сопротивления нити накала и др. причин), 3) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 4) уменьшено до нуля влияние температуры отработавших газов (так как любые изменения температуры в одинаковое число раз изменяют интенсивности прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения на любой из пяти длин волн), 5) увеличены чувствительности к измеряемым содержаниям компонентов отработанных газов, 6) снижена стоимость одного измерения компонента, 7) уменьшены погрешности измерений от 10-4% до 0,5-0,6% 8) упрощено устройство за счет исключения термостатирования и продува фотоприемников азотом под давлением.
Формула изобретения: УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и первый фотоприемник с модулятором, установленным на валу, блок индикации и регистрации, первый пятый задатчики, первый вычитатель, первый - третий делители, последовательно соединенные при этом выход первого вычитателя соединен с первым входом первого делителя отношений, отличающееся тем, что оно снабжено вторым фотоприемником, вычислительным блоком, четвертым пятым делителями, вторым четвертым вычитателями и десятью цепями, каждая из которых состоит из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем второй фотоприемник установлен за пределами коллимированнного пучка инфракрасного излучения по другую сторону вала модулятора, каждый фотоприемник выполнен пятидиапазонным на длины волн регистрируемого излучения соответственно на 1,3 1,7, 3,0 3,4, 4,1 4,5, 4,5 4,7 и 7,6 8,4 мкм, при этом первый пятый выходы второго фотоприемника соединены с входами первой пятой цепей соответственно, первый пятый выходы первого фотоприемника соединены с входами шестой десятой цепей также соответственно, выходы первой пятой цепи подключены к первым входам соответственно первого - пятого вычитателей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам первого пятого задатчиков, а выходы второго пятого вычитателей соединены соответственно с первыми входами второго пятого делителей, выходы десятой - шестой цепей подключены к вторым входам соответственно первого пятого делителей, выходы первого пятого делителей соединены соответственно с первым пятым входами вычислительного блока, выход которого соединен с входом блока индикации и регистрации.