Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ПЫЛИ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: автоматический контроль содержания пыли в контролируемом объеме. Сущность изобретения: регистрируют интенсивность Iп прошедшего инфракрасного излучения через контролируемый объем в диапазоне длин волн 7,6 - 8,4 мкм, регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения Ip в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей Ip/Iп. 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: 2069852
Класс(ы) патента: G01N21/85
Номер заявки: 5030580/25
Дата подачи заявки: 04.03.1992
Дата публикации: 27.11.1996
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 тепловых 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 содержаний CH4, CO, CO2, SO2 и NO2, а также влияние перераспределений содержаний угольной известняковой и песчаниковой пыли.
Известен способ автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности Iп прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, в котором дополнительно регистрируют интенсивность прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 6,0 6,8 мкм, а для определения концентрации пыли в качестве интенсивности прошедшего инфракрасного 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 низкая точность, связанная с сильными влияниями изменений интенсивности потока инфракрасного излучения от источника, загрязнений окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры контролируемого объема атмосферы.
Целью изобретения является повышение точности за счет одновременного устранения влияния изменений интенсивности потока инфракрасного излучения, загрязнения окон источника излучения и фотоприемника и изменений температуры отработавших газов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающем просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности Iп прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения Ip в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей Ip/Iп.
Основной изобретательский акт при создании нового способа состоит в преодолении технического противоречия. Сущность противоречия заключается в следующем. Для устранения влияния одного возмущающего действия при обычном инженерном проектировании вводят корректирующий сигнал об этом возмущающем действии. Но при этом усложняется измерение и падает надежность по внезапным отказам. Для устранения влияния трех возмущающих действий нужно ввести три корректирующих сигнала, что приведет к усложнению измерений в 4 раза: одно измерение основного сигнала и три измерения трех корректирующих сигналов. В новом способе это техническое противоречие преодолено: за счет измерения одного отношения одновременно устранены влияния изменений интенсивности излучения от источника, влияния загрязнений окон источника и фотоприемника, а также влияние изменений температуры дыма. Кроме того, в новом способе увеличена чувствительность к общему содержанию пыли в отработавших газах. Для преодоления противоречия существенны все отличительные признаки способа: 1) регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, 2) определяют величину отношения интенсивностей прошедшего и рассеянного вперед инфракрасного излучения Ip/Iп в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, 3) по величине отношения интенсивностей рассеянного вперед и прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 7,6 до 8,4 мкм судят об общем содержании пыли в отработавших газах. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из этих трех признаков, то техническое противоречие не будет преодолено, то есть не будет достигнута поставленная цель. Необходимость и достаточность всех трех отличительных признаков для достижения поставленной цели однозначно следует из приводимого ниже описания нового способа. Ни один из этих трех признаков неизвестен даже по отдельности сам по себе. Тем более неизвестно применение любого из этих признаков для преодоления технического противоречия. Поэтому, по мнению авторов совокупность трех отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
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);
на фиг.3 приведены зависимости интенсивностей прошедшего Iп и рассеянного вперед Ip ИК-излучения через слой дыма толщиной d от общего содержания пыли Сп в отработавших газах;
на фиг.4 показана зависимость отношения ηп= Ip/Iп от Cп при 0≅Cп≅170 г/м3;
на фиг.5 зависимость отношения ηп= Ip/Iп от Cп при 170 г/м3≅Cп≅340 г/м3;
на фиг. 6 показаны зависимости относительных чувствительностей прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения к содержанию Cп от самого содержания Cп, а также зависимость относительной чувствительности отношения от Cп.
Способ автоматического контроля общего содержания пыли Cп в отработавших газах реализуется следующей последовательностью операций.
Контролируемый слой дыма толщиной d просвечивают 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 Ip в том же диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм.
Определяют величину отношения зарегистрированных интенсивностей ηп= Ip/Iп.
По величине отношения зарегистрированных интенсивностей ηп определяют общее содержание пыли в дыме Cп по формуле , где aп и bп градуировочные коэффициенты.
Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.
Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения Iп экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли в дыме Cп по формуле
Iп Iопexp(-KпdCп), (1)
где Iоп интенсивность прошедшего ИК-излучения при Сп 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 Ip изменяется с изменением Cп по формуле
Ip= IopпdCпexp(-KpCпd), (2)
где Iop интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при Cп 0; σп коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, Kp - коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью. Если Cп измеряется в г/м3, a d в м, то σp и Кр (как и Кп) выражаются в м2/г.
Чтобы обеспечить независимость интенсивностей Iп и Ip от влияния изменений влаги, СО, CO2, других газов в дыме, а также от изменений содержаний песчаниковой Cпс и известняковой Cи пыли (то есть устранить влияние перераспределений содержаний угольной Cy, песчаниковой Cпс и известняковой Cи пыли при Cп Cy + Cпс + Cи const) нужно выбрать соответствующим образом диапазон длин волн ИК-излучения. Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения газовыми компонентами дыма и, кроме того, коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной, известняковой и песчаниковой пылью равны между собой. Поэтому диапазон длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм является оптимальным.
Из показанных на фиг.3 зависимостей Iп f(Cп) и Ip f1(Cп) видно, что с ростом Сп первая интенсивность Iп экспоненциально уменьшается. С ростом Cп интенсивность Ip растет в диапазоне изменений Cп от 0 до Спmax, когда (+KPCпmaxd) 1, то есть когда Cпmax (Kpd)-1.
В этом диапазоне изменений Cп от 0 до Спmax (Kpd)-1 величина отношения интенсивностей
ηп= [IopпdCпexp(-KpdCп)][Jопexp(-KпdCп)]-1 (3)
плавно растет с ростом Сп, что и показано на фиг.4 и фиг.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 So к общему содержанию пыли Cп против соответствующих чувствительностей прошедшего Sп и рассеянного вперед Sp ИК-излучения к Сп при регистрации соответственно Iп или Ip определим сами эти чувствительности.
Относительная чувствительность к Cп интенсивности прошедшего ИК-излучения Iп по абсолютному изменению общего содержания Cп из (1) запишется в виде:
(4) и не зависит от изменений Cп.
Относительная чувствительность к Сп интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения Ip по абсолютному изменению содержания Cп из 2 запишется в виде
(5)
Относительная чувствительность величины отношения ηп к Cп из (3) запишется в виде
(6)
Графики зависимостей Sп, Sp и So от Cп приведены на фиг.6. Видно, что относительная чувствительность к содержанию Cп величины отношения So в пределах концентраций 0<C>п<S>пmax является наибольшей.
Анализ формулы (3) показывает, что одинаковые относительные изменения интенсивностей Ip и Iп (во сколько бы раз одновременно они не изменялись) не приводят ни к малейшим изменениям ηп. Поэтому величина отношения ηп никак не изменится ни от изменения интенсивности 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 Ip.
Зависимость ηп= f2(Cп) по формуле (3) представляет собой трансцендентной уравнение, из которого в явном виде Cп не определяется, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким численным методам решения уравнения (3) относительно Cп. Как видно из фиг.4 и фиг.5, зависимость ηп= f(Cп) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением:
ηп= -aпC2п+bпCп. (7)
В общем случае зависимость (7) является квадратичной параболой, имеющей восходящую ветвь, пологий максимум и падающую ветвь. Середина пологого максимума достигается при равенстве нулю производной от ηп по Cп
(8)
что соответствует содержанию = bп(2aп)-1. Рабочим участком является восходящая ветвь, соответствующая содержаниям Cп < bп(2aп)-1. Погрешность аппроксимации на рабочем участке не превышает 0,2% от измеряемого общего содержания во всем диапазоне содержаний 0<C>п<0,9> Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой по самым строгим критериям.
Из аппроксимирующего квадратного уравнения (7) можно получить 2 значения Cп
(9)
Меньшее из значений Cп находится на рабочем участке параболы (7), а большее значение Cп находится на падающей ветви параболы. Так как , то для обеспечения Cп<b>п(2aп)-1 в формуле (9) перед корнем нужно брать знак (+), а неизвестное общее содержание пыли в дыме определять по однозначной формуле
(10)
Для определения значений градуировочных коэффициентов aп и bп градуировочного уравнения (7) можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градуировки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значения коэффициентов aп и bп. Один из приемлемых нетрудоемких методов градуировки описан в книге Онищенко А.М. Оптимизация приборов для контроля состава веществ, М. Машиностроение, 1990, с.18-29, с.155-156 и с.251-256.
Пример реализации способа. По величине отношения интенсивностей прошедшего Iп и рассеянного вперед Ip ИК-излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм при толщине слоя дыма 1 м определяли общее содержание пыли в диапазоне изменений Cп от 0 до 340 г/м3. При этом Io 10, d 1 м, Kп 0,005 м2/г, Iop 0,1, Kp 0,008 м2/г и σп= 0,2м2/г.. Относительная чувствительность и все другие зависимости для этого примера приведены на фиг.3,4,5 и 6. Погрешность измерения общего содержания пыли в дыме (среднее квадратическое отклонение погрешности) не превышала 0,4% от измеряемой концентрации. Столь высокую точность измерения общего содержания пыли не обеспечивает ни один из известных методов измерения содержания пыли.
Для определения технико-экономической эффективности нового способа автоматического контроля общего содержания пыли в дыме в качестве базового объекта как наиболее совершенный примем способ согласно прототипу. Техническими преимуществами нового способа по сравнению с прототипом являются следующие: 1) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности от источника излучения (из-за изменения напряжения питания источника, из-за изменения сопротивления нити накала от износа и др. причин), 2) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 3) уменьшено до нуля влияние изменения температуры дымовых газов (так как изменения температуры приводят к одинаковым относительным изменениям интенсивностей Iп и Ip, 4) увеличена чувствительность к общему содержанию пыли.
Четыре основные технические преимущества привели к уменьшению погрешности измерения общего содержания пыли более чем в десять раз. При этом одновременно упростился по сравнению с прототипом и процесс измерений. За счет повышения точности и упрощения измерений годовой экономический эффект составляет более 20 тыс. руб на один прибор, реализующий новый способ измерения содержания пыли.
Формула изобретения: Способ автоматического контроля общего содержания пыли в отработанных газах, включающий просвечивание контролируемого объема отработавшего газа инфракрасным излучением и регистрацию интенсивности Jп прошедшего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 7,6 8,4 мкм, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют интенсивность рассеянного вперед инфракрасного излучения Jp в том же диапазоне длин волн, а о содержании пыли судят по величине отношения интенсивностей Jp/Jп.