Устройство для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к контролю и измерениям концентрации и дисперсного состава взвешенных в газовой среде частиц, и может быть использована в системах экологического и технологического мониторинга, контроля пылевых выбросов предприятий, которые  применяют в своем производстве механическую активацию материалов.
Согласно действующему природоохранному законодательству лица, которые осуществляют деятельность на объектах I категории негативного воздействия на окружающую среду, к которым относятся также предприятия по производству цементного клинкера во вращающихся печах или в других печах (с проектной мощностью 500 тонн в сутки и более), обязаны оснастить стационарные источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух средствами автоматического контроля. На данный момент на предприятиях цементной промышленности задача по контролю параметров аэрозольных выбросов решается путем периодического изокинетического отбора проб на выходе и последующей оценки концентрации гравиметрическим способом. Такой подход не позволяет автоматически в реальном времени контролировать параметры аэрозольных выбросов.
Известно устройство для измерения запыленности газовой среды (изобретение №2334215, МПК G01N 15/06, G01N 21/94), содержащее узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые стекла аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, с приемным объективом рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, второй фотоприемник, оптически сопряженный с потоком излучения, систему обработки сигналов с фотоприемников, узел отображения информации, второй фотоприемник, расположен за световым стеклом до аспирационного канала и оптически сопряжен через рассеяние на световом стекле узла осветителя с потоком излучения, а за световым стеклом аспирационного канала введены по крайней мере два дополнительных фотоприемника, причем один дополнительный фотоприемник с приемным объективом прошедшего через анализируемую среду излучения расположен на одной оптической оси с узлом осветителя, и другой дополнительный фотоприемник с приемным объективом, оптически сопряженный с рассеянным анализируемой средой излучением расположен таким образом, что рассеянное излучение попадает на него под большим или меньшим углом, нежели на первый фотоприемник рассеянного излучения, а в качестве источника излучения используется полупроводниковый точечный излучатель с возможностью импульсного излучения попеременно на, по крайней мере, не менее двух длинах волн оптического диапазона.
Недостатком устройства является невысокая точность за счет использования всего одной длины волны лазерного излучения при измерении, невозможность измерения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц, а также сложность конструктивного исполнения.
Известен оптический пылемер (изобретение №2510497, МПК G01N 21/94), содержащий источник импульсного напряжения, последовательно соединенный с источником света, последовательно соединенный и оптически связанный со входом устройства разделения светового потока, первый выход которого последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном, вторым защитным окном измерительного канала; второй выход устройства разделения светового потока последовательно соединен и оптически связан с первым защитным окном опорного канала, который заполнен очищенной от пыли газовой смесью, по своему составу аналогичной отходящим газам конкретного предприятия, и вторым защитным окном опорного канала; устройство контроля запыленности смотровых окон оптически связано с первым смотровым окном в измерительном канале, выход которого является входом для устройства управления, выход которого подключен к устройству обдува, которое осуществляет обдув защитных окон, также содержит устройство контроля температуры, выход которого подключен к микроконтроллеру, также содержит устройство подогрева смотровых окон, поддерживающее температуру смотровых окон измерительного канала в заданных пределах, второе защитное окно измерительного канала оптически связано со светоразделительным зеркалом, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму, формирующую узкий световой поток, поступающий на первый фотоприемник измерительного канала, который в свою очередь соединен с усилителем, последовательно соединенным с первым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен с первым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером, а широкий световой пучок со светоразделительного зеркала попадает на второй фотоприемник измерительного канала, который последовательно соединен с усилителем, последовательно соединенным со вторым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен со вторым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером; аналогично второе защитное окно опорного канала оптически связано со вторым светоразделительным зеркалом, пропускающим центральную часть светового пучка на диафрагму, формирующую узкий световой поток, поступающий на первый фотоприемник опорного канала, который в свою очередь соединен с усилителем, последовательно соединенным с первым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен с первым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером, а широкий световой пучок со светоделительного зеркала попадает на второй фотоприемник опорного канала, который последовательно соединен с усилителем, последовательно соединенным со вторым сумматором, который в свою очередь последовательно соединен со вторым синхронным детектором, который также связан с источником импульсного напряжения и микроконтроллером.
Недостатком устройства является невысокая точность за счет использования всего двух длин волн лазерного излучения при измерении, невозможность измерения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц, а также сложность конструктивного исполнения.
Наиболее близким к данной модели техническим решением является устройство для контроля параметров аэрозольных потоков (полезная модель № 159104, МПК G01N 15/02), содержащее источник излучения, оптически связанный с фотоприемником, синхронный детектор, соединенный с микроконтроллером, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде двух лазеров, генерирующих импульсы излучения на двух длинах волн, расположенных на боковой стенке газохода, а выход фотоприемника последовательно соединен со входом синхронного детектора, выход которого последовательно соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого последовательно соединен со входом микроконтроллера.
Недостатком устройства является невысокая точность измерения массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц за счет того, что используется всего две длины волны лазерного излучения при  измерении, излучатель и фотоприемник не связаны между собой физически, лазерные лучи один раз проходят сквозь аэрозольный поток при прохождении оптического пути от лазера до фотоприемника, отсутствует измерение опорных сигналов излучения на опорных фотоприемниках.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения параметров аэрозольных выбросов.
Техническим результатом является повышение точности измерения загрязнения газовой среды взвешенными частицами за счет уменьшения погрешности измерения массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц.
Данный результат достигается тем, что устройство для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов, содержащее источник излучения, оптически связанный с фотоприемником ослабленного излучения и опорными фотоприемниками, синхронные детекторы, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с микроконтроллером, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде трех лазеров, генерирующих излучение на трех длинах волн и расположенных на внешней поверхности цилиндрического кожуха под углами 120 градусов друг к другу относительно продольной центральной оси кожуха. С цилиндрическим кожухом соединены три глухих зеркала, расположенные напротив каждого лазера, с зеркалами соединены три светоделителя, расположенные вдоль оси цилиндрического кожуха, со светоделителями соединено глухое зеркало, расположенное за газоходом. В полости цилиндрического кожуха расположен линзовый объектив, в фокусе которого в полости кожуха установлен фотоприемник ослабленного излучения, с лазерами оптически связаны три стеклянные пластины, напротив которых расположены опорные фотоприемники, выходы фотоприемника ослабленного излучения и опорных фотоприемников соединены со входами синхронных детекторов, выходы которых последовательно соединены со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого последовательно соединен со входом микроконтроллера.
Повышение точности измерения массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц происходит за счет измерения ослабления излучения на трех длинах волн, расположения элементов устройства за пределами газохода и жесткого соединения элементов между собой, пересечения лазерным лучом на каждой длине волны дважды потока аэрозольных выбросов в газоходе под прямым углом при прохождении оптического пути от лазера до фотоприемника, отведения части излучения каждого лазера на опорные фотоприемники для нормировки сигнала ослабления на этот опорный сигнал.
Увеличение количества длин волн, на которых проводятся измерения, позволяет получать большее количество значений измеряемых массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц. Таким образом, увеличивается количество одновременно проводимых измерений одной и той же величины, что уменьшает погрешность и повышает точность измерения.
Расположение элементов устройства за пределами газохода исключает влияние вибрации газохода на устройство. Жесткое соединение элементов устройства между собой уменьшает вероятность разъюстировки элементов и сокращает их вибрации и колебания друг относительно друга.
Лазерный луч на каждой длине волны при прохождении оптического пути от лазера до фотоприемника два раза пересекает поперченное сечение потока аэрозольных выбросов в газоходе, что увеличивает оптический путь проходимый каждым лучом через поток аэрозольных выбросов. Увеличение оптического пути, проходимого лазерным лучом сквозь контролируемую среду, повышает чувствительность измерения, что увеличивает точность измерения.
Отведение части излучения каждого лазера на опорный фотоприемник, измерение этого опорного сигнала и нормировка на него сигнала, измеряемого фотоприемником, ослабления позволяет в каждом канале исключить влияние колебаний мощности лазеров, что повышает точность измерения.
На фиг. 1 представлена схема устройства для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов.
Устройство для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов содержит цилиндрический кожух 1, на внешней поверхности которого под углами 120 градусов друг к другу относительно продольной центральной оси кожуха расположены три лазера 2, 3, 4, оптически связанные тремя стеклянными пластинами 5, 6, 7 с опорными фотоприемниками 8, 9, 10, расположенными на поверхности кожуха 1. С помощью трех глухих зеркал 11, 12, 13, трех светоделителей 14, 15, 16, глухого зеркала 17 лазерное излучение проходит сквозь отверстия 18 и 19 в газоходе 20. Линзовый объектив 21 расположен внутри цилиндрического кожуха 1. Фотоприемник ослабленного излучения 22 расположен в фокусе линзы 21. Выходы опорных фотоприемников 8,9,10 соединены с входами синхронных детекторов 24, 23, 26 соответственно. Выход фотоприемника ослабленного излучения 22 соединен со входом синхронного детектора 25. Выходы синхронных детекторов 24-26 последовательно соединены со входом аналого-цифрового преобразователя 27, выход которого последовательно соединен со входом микроконтроллера 28. Фиксируются элементы устройства с помощью металлических держателей 29-35.
1
2
3
Устройство для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов работает следующим образом. Три лазера 2, 3, 4, расположенные на поверхности цилиндрического кожуха 1, генерируют излучение на трех длинах волн λ, λ и λ. Например, длины волн могут составлять 1064, 405; и 532 нм. Лазерные лучи с помощью глухих зеркал 11, 12, 13 и светоделителей 14, 15, 16 складываются в один луч, направленный вдоль оси кожуха 1 в сторону отверстия 18 в газоходе 20. Прошедший через поток аэрозольных выбросов в газоходе 20 и отверстие 19 в газоходе 20 луч отражается от глухого зеркала 17, расположенного за газоходом, в обратную сторону. Отраженный луч, ослабленный потоком аэрозольных выбросов, собирается линзовым объективом 21 на фотоприемник ослабленного излучения 22, расположенный в фокусе линзы 21. Часть излучения каждого лазера 2, 3, 4 отражается стеклянными пластинами 5, 6, 7 на опорные фотоприемники 8, 9, 10, расположенные на поверхности кожуха 1. Электрические сигналы фотоприемника ослабленного излучения 22 и опорных фотоприемников 8, 9, 10 поступают на входы синхронных детекторов 23, 24, 25, 26. Электрический сигнал с выходов синхронных детекторов 23, 24, 25, 26 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 27, в котором электрический сигнал преобразуется в цифровой. Цифровой сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 27 поступает на вход микроконтроллера 28, который предназначен для расчета массовой концентрации частиц и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц.
Таким образом, устройство для автоматического контроля параметров аэрозольных выбросов обеспечивает повышение точности измерения загрязнения газовой среды взвешенными частицами за счет уменьшения погрешности измерения массовой концентрации и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц.