Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ - Патент РФ 2091770
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: автоматический контроль содержания пыли. Сущность изобретения: регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения Iп и Iпy в диапазоне 7,6-8,4 мкм, регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне 7,6-8,4 мкм, регистрируют интенсивности инфракрасного излучения Iпу и Ipy в диапазоне 3,0-3,4 мкм, а об общем содержании пыли и о содержании угольной пыли в контролируемом объеме судят соответственно по значениям отношений Ip/Iy и Ipy/Iпу. 6 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: 2091770
Класс(ы) патента: G01N21/85
Номер заявки: 5030581/25
Дата подачи заявки: 04.03.1992
Дата публикации: 27.09.1997
Заявитель(и): Комплексный научно-исследовательский и проектно- конструкторский институт обогащения твердых горючих ископаемых
Автор(ы): Горлов Ю.И.; Онищенко А.М.
Патентообладатель(и): Горлов Юрий Иванович; Онищенко Александр Михайлович
Описание изобретения: Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к автоматическому контролю содержания пыли, 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 на различных предприятиях.
Известен способ автоматического контроля содержания пыли в атмосфере, включающий просвечивание контролируемого объема атмосферы электромагнитным излучением, регистрацию интенсивностей падающего и прошедшего излучения, по которым определяют содержание пыли [1]
Недостатком известного способа является влияние флуктуаций содержания CH4, CO, CO2, SO2 и NO2, а также влияние перераспределений содержания угольной, известняковой и песчаниковой пыли.
Известен способ автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа полиэнергетическим инфракрасным излучением и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения Iп и Iy в двух диапазонах длин волн 7,6-8,4 мкм и 6,0-6,8 мкм, в котором для определения концентрации пыли в качестве интенсивности прошедшего излучения используют сумму интенсивностей прошедшего излучения в этих двух спектральных диапазонах, при этом ширины спектральных диапазонов просвечивания и соответствующие интенсивности просвечивающего излучения выбирают из условия равенства интенсивностей прошедшего излучения в этих спектральных диапазонах [2]
Недостатками известного способа являются узкие функциональные возможности из-за невозможности контроля угольной пыли и низкая точность, связанная с влиянием изменений интенсивности потока инфракрасного излучения, загрязнения окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет дополнительного контроля содержания угольной пыли и одновременного повышения точности за счет устранения влияний изменений интенсивности потока инфракрасного излучения от источника, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов, а также увеличение чувствительностей к контролируемым содержаниям пыли.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающем просвечивание контролируемого объема отработанного газа полиэнергетическим инфракрасным излучением и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения Iп и Iy в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6-8,4 мкм, дополнительно регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6-8,4 мкм, причем интенсивности прошедшего и рассеянного вперед инфракрасного излучения Iy и Ipy регистрируют в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, определяют значения двух отношений интенсивностей Iрп/Iп и Ipy/Iy, а о содержаниях общей и угольной пыли судят по значениям отношений соответственно Iрп/Iп и Iрy/Iy.
Основной изобретательский акт при создании нового способа состоит в преодолении технического противоречия. Сущность противоречия заключается в следующем. Для устранения влияния одного возмущающего фактора при обычном инженерном проектировании вводят корректирующий сигнал об этом возмущающем факторе. Но при этом усложняется измерение и падает надежность по внезапным отказам. Для устранения влияния трех возмущающих факторов нужно ввести три корректирующих сигнала, что приведет к усложнению способа уже в 4 раза: одно измерение основного сигнала и три измерения трех корректирующих сигналов. Если же нужно измерять еще один параметр, то нужно получить еще один измеряемый сигнал и еще три корректирующих сигнала для устранения влияния трех возмущающих факторов. В результате измерение усложняется уже в 8 раз. В новом способе это техническое противоречие преодолено: за счет измерения двух отношений одновременно устранены влияния изменений интенсивности излучения от источника, влияния загрязнения окон источника излучения и фотоприемника, а также влияния изменений температуры дыма, и обеспечено дополнительное измерение содержания угольной пыли в дыме. Кроме того, в новом способе увеличены чувствительности к общему содержанию пыли и к содержанию угольной пыли в дыме. Для преодоления противоречия существенны все отличительные признаки способа: 1) дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в том же диапазоне длин волн 7,6-8,4 мкм, 2) дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, 3) интенсивность прошедшего через слой дыма инфракрасного излучения Iy регистрируют в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм, 4) определяют значение отношения интенсивностей Iрп/Iп; 5) определяют значение отношения интенсивностей Iру/Iy, 6) о содержании общей пыли в дыме судят по величине отношения интенсивностей Iрп/Iп, 7) о величине содержания угольной пыли в дыме судят по значениям двух отношений интенсивностей Iрп/Iп и Iру/Iу. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из этих семи отличительных признаков, то техническое противоречие не будет преодолено, то есть не будет достигнута поставленная цель. Необходимость и достаточность всех семи отличительных признаков для достижения поставленной цели однозначно следует из приведенного ниже описания способа. Ни один из этих семи отличительных признаков не известен даже сам по себе, по отдельности. Тем более неизвестно применение любого из этих признаков для достижения поставленной цели. Поэтому, по мнению авторов, совокупность семи отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг.1 показаны спектры ослабления поглощения инфракрасного излучения (далее ИК-излучения) влагой H2O, CO, CH4, N2O, O3, CO2, HDO и солнечный спектр ИК-излучения; на фиг.2 -зависимости коэффициентов ослабления ИК-излучения угольной пылью (кривая 1), известняковой пылью (кривая 2) и песчаниковой пылью (кривая 3) от длины волны λ; на фиг.3 зависимости интенсивности прошедшего Iп и рассеянного вперед Iр ИК-излучения через слой дыма d от общего содержания пыли Cп в отработавших газах; на фиг.4 зависимости отношения интенсивностей hп= Iр/Iп от Cп при 0≅Cп≅170 г/м3; на фиг.5 -зависимость отношения ηп=Iр/Iп от Cп при 170 г/м3≅Cп≅340 г/м3; на фиг.6 зависимости относительных чувствительностей прошедшего Sп и рассеянного вперед Sp ИК-излучения к содержанию общей пыли Cп от самого содержания Cп, а также зависимость относительной чувствительности Sо от Cп.
Способ автоматического контроля общего содержания пыли Cп и содержания угольной пыли Cу в дыме реализуется следующей последовательностью операций.
Контролируемый слой дыма толщиной d просвечивают полиэнергетическим ИК-излучением.
Регистрируют интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения Iп в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм.
Регистрируют интенсивность рассеянного вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения Iр в том же диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм.
Регистрируют интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения Iу в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм.
Регистрируют интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения в слое дыма толщиной d Iру в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм.
Определяют значение отношения интенсивностей ηп=Ip/Iп.
Определяют значение отношения интенсивностей =I/Iу.
По величине отношения ηп определяют общее содержание пыли Cп в дыме.
По величинам отношений ηп и ηу определяют содержание угольной пыли Cу в дыме.
Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.
Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения Iп экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли Cп в дыме по формуле:
Iп=Iопexp (-KпdCп),
где Iоп интенсивность прошедшего ИК-излучения при Cп=0; Kп коэффициент ослабления ИК-излучения пылью. Если d измеряется в метрах (м), а содержание Cп измеряется в г/м3, то для получения безразмерного произведения KпCпd коэффициент Kп необходимо выразить в м2/г.
Интенсивность рассеянного в направлении вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения Iр изменяется с изменением Cп по формуле:
Ip= Iор+ σпdCпexp(-KpdCп), (2)
где Iop интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при Cп=0;
коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, Kр коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью, Если Cп измеряется в г/м3, а d в м, то σп и Kр, как и Kп выражаются в м2/г.
Чтобы обеспечить независимость интенсивностей Ip и Iп от влияния изменения влаги, CO, CO2, других газов в дыме, а также от изменений содержаний песчаниковой Cпс и известняковой Cи пыли (то есть устранить влияние перераспределений содержаний угольной Cу, песчаниковой Cпс и известняковой Cи пыли при Cп Cу + Cпс + Cи const) нужно выбрать соответствующим образом диапазон длин волн регистрируемого ИК-излучения.
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения основными газовыми компонентами дыма и в этом диапазоне длин волн отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой Kпс и известняковой Kи пылью близки друг к другу Кпс≃ Ки.. Поэтому в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм интенсивности прошедшего Iп и рассеянного вперед Ip ИК-излучения будут зависеть лишь от общего содержания пыли в дыме Cп и никак не будут зависеть от перераспределения содержаний Cу, Cпс и Cи при Cп const.
Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3,0 до 3,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и основными дымовыми газами, содержание которых может сильно измениться, углекислым и угарным газами. Поэтому коэффициентами ослабления ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3,0 до 3,4 мкм влагой Kв, угарным Kг и углекислым Kк газами можно пренебречь, так как они не менее чем в сотни раз меньше по сравнению с коэффициентами ослабления ИК-излучения различными компонентами пыли: Kв 0, Kг 0, Kк 0, Kп >> Kв, Kп >> Kг, Kп >> Kк, Kу >> Kв, Kу >> Kг, Kу >> Kк, Kпс >> Kв, Kпс >> Kг, Kпс >> Kк, Kи >> Kв, Kи >> Kг и Kи >> Kк.
Из приведенной на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения от 3,0 до 3,4 мкм коэффициенты ослабления известняковой и песчаниковой пылью равны между собой Kпс Kи. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной пылью почти в три раза отличаются от коэффициентов ослабления ИК-излучения компонентами природной пыли (известняковой и песчаниковой).
Таким образом, диапазоны длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм для задачи раздельного контроля общего содержания пыли в дыме Cп и контроля содержания угольной пыли в дыме Cу являются оптимальными. В первом диапазоне длин волн обеспечивается зависимость интенсивностей лишь от Cп, а во втором лишь от Cу и Cпор Cпс + Cи.
Из показанных на фиг.3 зависимостей Iп f(Cп) и Ip f1(Cп) видно, что с ростом Cп первая интенсивность Iп экспоненциально уменьшается. С ростом Cп интенсивность Ip растет в диапазоне измерений Cп от 0 до Cпmax, когда (+KрCпmaxd) 1, то есть когда Cпmax (-Kрd)-1.
В этом диапазоне изменений Cп от 0 до Cпmax (Kрd)-1 величина отношения интенсивностей:
ηп= [Iор+ σпdCпexp(-KpdCп)][Iопexp(-KпdCп)]-1 (3)
плавно растет с ростом Cп, что и показано на фиг.4 и 5. Видно, что зависимость ηп f2(Cп) идет более круто, чем зависимости Iп f(Cп) или Ip f1(Cп). Чтобы оценить выигрыш в увеличении чувствительности отношения S0 к общему содержанию пыли Cп, как и к содержанию угольной пыли Cу, против соответствующих чувствительностей прошедшего Iп и рассеянного вперед Ip ИК-излучения к Cп или к Cу при регистрации соответственно Iп или Ip, оценим сами эти чувствительности.
Относительная чувствительность к Cп или к Cу прошедшего ИК-излучения Iп по абсолютному изменению общего содержания пыли Cп или содержания угольной пыли Cу из (1) запишется в виде:

и не зависит от изменений Cп или Cу.
Относительная чувствительность к Cп или к Cу интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения Iп по абсолютному изменению содержаний Cп или Cу из (2) запишется в виде:

Относительная чувствительность величины отношения ηп или ηу к Cп или к Cу из (3) запишется в виде:

Графики зависимостей Sп, Sр и Sо от Cп или от Cу приведены на фиг.6. Видно, что отношения Sо в пределах концентраций 0<C>п<C>пmax или 0<C<C>уmax является наибольшей.
Анализ формул (3) показывает, что одинаковые относительные изменения интенсивностей Iп и Ip (во сколько бы раз одновременно они не изменялись) не приводят ни к малейшим изменениям ηп и ηу. Поэтому величина отношений ηп и ηу никак не изменится ни от изменения интенсивностей от источника излучения, ни от загрязнений окон источника или фотоприемника, ни от изменений температуры отработавших газов, так как любая из этих трех причин приводит к одинаковым относительным изменениям обеих интенсивностей Iп и Ip.
Зависимость ηп f2(Cп) или ηу f2(Cу) по формуле (3) представляют собой трансцендентное уравнение, из которого в явном виде Cп или Cу не определяется, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким методам численного решения уравнений (3) относительно Cп или Cу. Как видно из графиков на фиг.4 и 5, зависимость ηп f2(Cп) или зависимость ηпу f2(Cу) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением
ηп= -aпC2п + bпCп,
ηу= -aуC2у + bуCу - aʹпC2п + bʹпCп. (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 ηп или от ηу по Cп или по Cу


что соответствует содержаниям Cʹп = bп(2aп)-1 или . Рабочим участком является восходящая ветвь, соответствующая содержаниям или .
Погрешности аппроксимации на рабочем участке не превышают 0,2% от измеряемых содержаний Cп или Cу во всем диапазоне их содержаний или 0 < Cу< 0,9Cʹу. Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой по самым строгим критериям.
Из аппроксимирующих уравнений (7) можно получить по два значения Cп и Cу:

Меньшие из значений Cп1 и Cу1 находятся на рабочих участках парабол (7), а большие значения Cп2 или Cу2 находятся на падающих ветвях парабол. Так как , то для обеспечения Cп<b>п(2ап)-1 или Cу<b(2ау)-1 в формулах (9) перед корнем нужно брать зак (+), а неизвестные общее содержание пыли и содержание угольной пыли в дыме определять по однозначным формулам

Для определения значений градуировочных коэффициентов aп и bп первого градуировочного уравнения и aу и bу, aʹп и bʹп второго градуировочного уравнения (7), можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градиуровки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значение коэффициентов. Один из приемлемых методов градуировки описан в книге А.М. Онищенко. Оптимизация приборов для контроля состава веществ. М. Машиностроение, 1990, с. 18-29, с. 155-156, с. 251-256.
Пример. По величинам отношений интенсивностей прошедшего Iп и Iпу и рассеянного вперед Ip и I ИК-излучения в диапазонах длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм соответственно при толщине слоя дыма 1 м определяли общее содержание пыли Cп и содержание угольной пыли Cу в диапазонах их измерений от 0 до 340 г/м3. При этом Iоп 10, Iоу 10, d 1 м, и Kп 0,005 м2/г, Kпу 0,0047 м2/г, Iоp 0,1, Iоу 0,1, Kр=0,008 м2/г, Kру 0,0078 м2/г, σп 0,2 м2/г и σу 0,19 м2/г. Относительные чувствительности и все другие параметры этого примера приведены на фиг.3-6. Погрешность измерения общего содержания пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,4% от измеряемого содержания. Погрешность измерения содержания угольной пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,47% от измеряемого содержания. Столь высокую точность измерений общего содержания пыли и содержания угольной пыли не обеспечивает ни один из методов измерений содержания пыли.
Для определения технико-экономической эффективности нового способа автоматического контроля содержания пыли в дыме в качестве базового объекта как наиболее совершенный примем прототип. Техническими преимуществами нового способа по сравнению с прототипом являются следующие: 1) расширены функциональные возможности в 2 раза за счет дополнительного измерения содержания угольной пыли, 2) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности от источника излучения (из-за изменения напряжения питания источника, из-за изменения сопротивления нити накала от износа и других причин), 3) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 4) уменьшено до нуля влияние изменения температуры отработавших газов (так как любые изменения температуры приводят к одинаковым относительным изменениям пар интенсивностей прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения для любой длины волны), 5) увеличены чувствительности к общему содержанию пыли и к содержанию угольной пыли.
Пять основных технических преимуществ привели к уменьшению погрешностей измерения более чем в десять раз. При этом одновременно упростился по сравнению с прототипом процесс градуировки и измерений. Кроме того, уменьшена примерно на 40% стоимость измерения одного содержания за счет совмещения двух измерений в одном устройстве для реализации способа.
Формула изобретения: Способ автоматического контроля содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработанного газа полиэнергетическим инфракрасным излучением, и регистрацию интенсивностей прошедшего инфракрасного излучения In и Iny в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6 8,4 мкм, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интенсивности рассеянного вперед инфракрасного излучения Ip и Ipy в двух диапазонах длин волн, один из которых составляет 7,6 8,4 мкм, причем интенсивности Iny и Ipy регистрируют в диапазоне длин волн 3,0 - 3,4 мкм, определяют значения двух отношений интенсивностей Ip/In и Ipy/Iny, а об общем содержании пыли и о содержании угольной пыли судят соответственно по значениям отношений Ip/In и Ipy/Iny.