СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING DENSITY

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу измерения и устройству для измерения плотности, имеющей отношение к газообразному веществу и дисперсным частицам в газе, который представляет собой газ, генерированный в замкнутом резервуаре, таком как паровой котел, мусоросжигательная установка и камера сгорания двигателя внутреннего сгорания, и газ, который выделяется наружу из замкнутого резервуара, или газообразные выбросы, которые имеют тенденцию накапливаться в области застоя газовых потоков.
Уровень техники
Были разработаны стандартные способы применения лазерных технологий для измерения плотности газообразных веществ и дисперсных частиц в таком газе, как газ, генерированный в замкнутом резервуаре, таком как топка парового котла, мусоросжигательная установка, двигатель внутреннего сгорания и так далее. В технологиях измерения плотности газа с использованием лазера используют свойство каждого типа газообразных веществ; а именно газообразное вещество имеет свойство поглощать лазерное излучение, содержащее компонент с длиной волны, характеристической для газообразного вещества. Другими словами, плотность конкретного газообразного вещества определяют применением лазерного излучения, включающего свет с конкретной длиной волны, эквивалентной длине волны поглощаемого излучения, специфической для газообразного вещества, в отношении измеряемого газообразного объекта, содержащего газообразное вещество, а также проведением спектрального анализа лазерного излучения, прошедшего через измеряемый газообразный объект.
Таким образом, следует отметить, что термин «лазер» в настоящем описании главным образом имеет отношение к лазерам, которые излучают свет в широком диапазоне спектра или излучают одновременно свет с различными длинами волн.
С другой стороны, что касается измерения плотности дисперсного вещества, взвешенного в измеряемом газообразном объекте, то применяли стандартный метод, в котором предварительно заданное количество газа, содержащего дисперсные частицы, отбирают в качестве образца для анализа; отобранное количество газообразного образца пропускают через фильтровальную бумагу (например, фильтровальную бумагу, помещенную в цилиндрический сетчатый фильтр); разницу между весом бумажного фильтра после пропускания отобранного количества газообразного образца через фильтровальную бумагу и весом бумажного фильтра до пропускания отобранного количества газообразного образца через фильтровальную бумагу оценивают как количество дисперсных твердых частиц в предварительно заданном количестве газообразного образца.
В качестве примера вышеописанного метода патентный документ 1 (JP 1998-185814) раскрывает способ измерения плотности газообразного вещества и дисперсных частиц с использованием лазерной технологии; а именно патентный документ 1 представляет устройство для измерения плотности для одновременного измерения значений плотности как газообразного вещества, так и дисперсных частиц путем пропускания лазерного излучения, соответствующего специфической длине волны поглощения, характеристической для газообразного вещества, через измеряемый газообразный объект (газ и дисперсные частицы в нем). В способе согласно патентному документу 1, как показано на фиг.9, ослабление Ap базового уровня относительно базового коэффициента пропускания лазерного излучения (удельный коэффициент пропускания) соответствует коэффициенту ослабления, обусловленному дисперсными частицами; максимум ослабления (поглощение) Ag с формой узкого глубокого ущелья соответствует коэффициенту ослабления, обусловленному газообразным веществом; таким образом, плотность дисперсных частиц можно рассчитать с использованием измеренного значения Ap, тогда как плотность газообразного вещества может быть рассчитана по измеренному значению Ag.
Далее, патентный документ 2 (патент JP 3185310) раскрывает индикатор дыма для детектирования дыма, выделяемого движущимся автомобилем (или транспортным средством); согласно представленному способу, детектируемый дым может представлять собой дымный дизельный выхлоп («черный дым»), белый дым, водяные пары или смесь белого дыма и водяных паров; часть света (лазерного излучения), испускаемого лазерным источником излучения, рассеивается или отражается в измеряемом газообразном объекте, содержащем дисперсные частицы; часть света принимается многочисленными средствами приема лазерного излучения; соответственно условиям приема светового излучения средствами приема лазерного излучения может быть оценено состояние (такое как информация об плотности) дыма (черного дыма, белого дыма, водяных паров или смеси белого дыма и водяных паров).
Как описано выше, патентный документ 1 раскрывает устройство для измерения плотности, которое одновременно измеряет плотности как газообразного вещества, так и дисперсных частиц; однако плотность, имеющую отношение к дисперсным частицам, оценивают как одно обобщенное значение; способ согласно патентному документу 1 не проводит различия между дисперсными частицами в черном дыме, белом дыме и водяных парах; способ не достигает уровня, на котором может быть по отдельности измерена плотность дисперсных частиц в каждом типе дыма. Таким образом, следует отметить, что понятия «черный дым», «белый дым» и «водяные пары» (паровой белый дым) означают черный дым, содержащий черные твердые дисперсные частицы, белый дым, содержащий жидкие дисперсные частицы, и водяные пары, содержащие водяные частицы, соответственно.
3
x
Далее, в способе согласно патентному документу 2 дисперсные частицы в каждом дыме, таком как черный дым, белый дым или водяные пары, измеряют только по отдельности; плотности в отношении дисперсных частиц и конкретного газообразного вещества, такого как NH (аммиак) или NO (оксиды азота), в газообразных выбросах одновременно измерить нельзя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принимая во внимание вышеописанные предпосылки, настоящее изобретение имеет целью представление устройства для измерения плотности, которое может одновременно измерять плотности, имеющие отношение как к многочисленным газообразным веществам, так и многочисленным дисперсным частицам, благодаря чему устройство может легко и надежно измерять плотности, имеющие отношение к дисперсным частицам, таким как черный дым, белый дым и водяные пары; кроме того, цель настоящего изобретения состоит в представлении способа измерения плотности с использованием этого устройства.
Чтобы разрешить проблемы традиционных известных способов, первый объект изобретения настоящей заявки представляет способ измерения плотности для обнаружения плотностей газообразного вещества и дисперсных частиц в измеряемом газообразном объекте, содержащем газообразное вещество и дисперсные частицы, на основе коэффициента пропускания и ослабления лазерного излучения, измеренного при пропускании через измеряемый газообразный объект лазерного излучения, включающего свет с длиной волны, эквивалентной длине волны поглощения, характеристической для газообразного вещества; причем способ включает этапы, в которых:
предварительно устанавливают соотношение между ослаблением лазерного излучения и плотностью каждого дисперсного вещества, такого как черный дым или белый дым, в отношении поглощения при каждой длине волны, характеристической для каждого газообразного вещества;
осуществляют облучение лазерным излучением, имеющим по меньшей мере одну длину волны, эквивалентную каждому измеряемому газообразному веществу; и
определяют плотность каждого дисперсного вещества путем измерения коэффициента ослабления лазерного излучения соответственно длине волны лазерного излучения и сравнивают измеренный коэффициент ослабления с коэффициентом ослабления, рассчитанным с использованием предварительно установленного соотношения.
Второй объект изобретения настоящей заявки представляет устройство для измерения плотности для обнаружения значений плотности газообразного вещества и дисперсных частиц в измеряемом газообразном объекте, содержащем газообразное вещество и дисперсные частицы, на основе коэффициента пропускания и ослабления лазерного излучения, измеренного при пропускании через измеряемый газообразный объект лазерного излучения, включающего длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для газообразного вещества; причем устройство содержит:
по меньшей мере одно средство лазерного излучения, которое генерирует лазерное излучение, включающее по меньшей мере одну длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для каждого измеряемого газообразного вещества;
по меньшей мере одно средство приема лазерного излучения, которое принимает лазерное излучение, генерированное средством лазерного излучения;
карту коэффициентов ослабления лазерного излучения, в которой предварительно установлено соотношение между коэффициентом ослабления лазерного излучения и плотностью каждого дисперсного вещества, такого как черный дым или белый дым, относительно каждой длины волны поглощения, характеристической для каждого газообразного вещества;
по меньшей мере одно средство для расчета коэффициента ослабления лазерного излучения, которое рассчитывает коэффициент ослабления лазерного излучения, прошедшего через измеряемый газообразный объект, на основе лазерного излучения, принятого средством приема лазерного излучения; и
средство для расчета плотности дисперсных частиц, которое рассчитывает плотность для каждого дисперсного вещества сравнением коэффициента ослабления, рассчитанного средством для расчета коэффициента ослабления лазерного излучения, с коэффициентом ослабления, рассчитанным с использованием коэффициента ослабления из карты коэффициентов ослабления лазерного излучения.
Согласно первому и второму объектам изобретения, лазерные излучения, включающие длины волн, эквивалентные длинам волн поглощения, характеристическим для газообразных веществ, пропускают через измеряемый газообразный объект; составляют карту коэффициентов ослабления лазерного излучения, в которой предварительно установлено соотношение между коэффициентом ослабления и плотностью каждого дисперсного вещества, такого как черный дым или белый дым, относительно каждой длины волны поглощения, характеристической для каждого газообразного вещества; измеряют коэффициент ослабления соответственно длине волны лазерного излучения; и измеренный коэффициент ослабления сравнивают с коэффициентом ослабления, который рассчитан с использованием установленного соотношения между коэффициентом ослабления и плотностью каждого дисперсного вещества, такого как черный дым или белый дым, чтобы определить плотность каждого дисперсного вещества. Таким образом, плотности дисперсных частиц, таких как черный дым, белый дым и т.д., при измерениях плотности газообразного объекта могут быть определены в одно и то же время.
1
2
3
1
1
2
2
Более конкретно, например, лазерное излучение, включающее свет с длиной волны λ, предполагают как лазерное излучение для обнаружения плотности СО (монооксида углерода), содержащегося в измеряемом газообразном объекте; далее, к примеру, лазерное излучение, включающее свет с длиной волны λ, предполагают как лазерное излучение для обнаружения плотности аммиака NH (аммиак), содержащегося в измеряемом газообразном объекте; таким образом, предварительно определяют коэффициент ослабления “a” для черного дыма для лазерного излучения с длиной волны λ и коэффициент ослабления “b” для белого дыма для лазерного излучения с длиной волны λ; далее предварительно определяют коэффициент ослабления “c” для черного дыма относительно лазерного излучения с длиной волны λ, и коэффициент ослабления “d” для белого дыма относительно лазерного излучения с длиной волны λ. В этой связи эти коэффициенты ослабления устанавливают, как показано на фиг.4 и 5, которые приводят разъяснение относительно карты (зарегистрированный график зависимости между коэффициентом ослабления лазерного излучения и плотностью дыма) коэффициентов ослабления лазерного излучения для черного дыма и белого дыма соответственно.
λ1
1
λ2
2
b
w
λ1
λ2
b
w
Далее, коэффициент А ослабления лазерного излучения для длины волны λ лазерного излучения и коэффициент А ослабления лазерного излучения для длины волны λ лазерного излучения могут быть выражены следующими уравнениями (1) и (2) в отношении плотности N черного дыма и плотности N белого дыма. Другими словами, коэффициенты А и А ослабления могут представлять собой исходные выражения для плотностей N и N
λ1
b
w
А=a N+b N (1)
λ2
b
w
А=b N+d N (2)
b
w
b
w
λ1
1
λ2
2
Таким образом, плотность N черного дыма и плотность N белого дыма могут быть получены решением системы уравнений (1) и (2) для неизвестных N и N. В дополнение, оба значения коэффициента А ослабления лазерного излучения для длины волны λ лазерного излучения и коэффициента А ослабления лазерного излучения для длины волны λ лазерного излучения рассчитывают на основе сигнала интенсивности лазерного излучения, согласно интенсивности каждого лазерного излучения, принятого каждым средством приема лазерного света.
Таким образом, согласно первому и второму объектам изобретения, при пропускании лазерных излучений через газообразный объект для измерения плотности значения плотности соответствующих дисперсных частиц в газообразном объекте с измеряемой плотностью могут быть просто и надежно рассчитаны в одно и то же время на основе коэффициента ослабления лазерного излучения соответственно каждому лазерному излучению с его собственной длиной волны.
Предпочтительный вариант исполнения согласно первому изобретению представляет собой способ измерения плотности, дополнительно включающий стадии, в которых:
облучают лазерным излучением не только измеряемый газообразный объект, но также эталонную ячейку, в которой инкапсулирован эталонный газ, приготовленный из газообразного вещества; и
идентифицируют коэффициент ослабления как измеренный коэффициент ослабления на основе сигнала интенсивности соответственно интенсивности лазерного излучения, прошедшего через эталонную ячейку, и сигнала интенсивности пропускания соответственно величине коэффициента пропускания лазерного излучения, прошедшего через измеряемый газообразный объект.
Предпочтительный вариант исполнения согласно второму изобретению представляет собой устройство для измерения плотности,
в котором лазерное излучение пропускают не только через измеряемый газообразный объект, но также через эталонную ячейку, в которой инкапсулирован эталонный газ, приготовленный из газообразного вещества; и
коэффициент ослабления лазерного излучения, включающего по меньшей мере одну длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для каждого измеряемого газообразного вещества, рассчитывают на основе сигнала интенсивности соответственно интенсивности лазерного излучения, прошедшего через эталонную ячейку, и сигнала интенсивности пропускания соответственно величине коэффициента пропускания лазерного излучения, прошедшего через измеряемый газообразный объект.
Согласно конфигурации каждого изобретения, как описанного выше, каждый коэффициент ослабления лазерного излучения для каждой длины волны поглощения лазерного излучения рассчитывают на основе сигнала интенсивности, соответствующего интенсивности лазерного излучения, прошедшего через эталонный газ, и сигнала интенсивности, соответствующего интенсивности пропускания лазерного излучения, прошедшего через измеряемый газообразный объект; поэтому измерение плотности может быть защищено от влияния флуктуаций интенсивности каждого лазерного излучения на стороне испускания лазерного излучения.
Еще один предпочтительный вариант исполнения согласно первому изобретению представляет собой способ измерения плотности, дополнительно включающий этапы, в которых:
пропускают лазерное излучение не только через измеряемый газообразный объект, но также через эталонную ячейку, в которой инкапсулирован эталонный газ, приготовленный из газообразного вещества; и
синхронизируют длину волны лазерного излучения, пропущенного через измеряемый газообразный объект, с длиной волны поглощения эталонного газа, инкапсулированного в эталонной ячейке, на основе электрического сигнала лазерного излучения, пропущенного через соответствующую эталонную ячейку.
Еще один предпочтительный вариант исполнения согласно второму изобретению представляет собой устройство для измерения плотности,
в котором лазерное излучение, генерированное средством лазерного излучения, пропускают не только через измеряемый газообразный объект, но также через эталонную ячейку, в которой инкапсулирован эталонный газ, приготовленный из газообразного вещества; и
длину волны лазерного излучения, пропущенного через измеряемый газообразный объект, синхронизируют с длиной волны поглощения эталонного газа, инкапсулированного в эталонной ячейке, на основе электрического сигнала лазерного излучения, пропущенного через соответствующую эталонную ячейку.
Согласно конфигурации каждого изобретения, как описанного выше, благодаря пропусканию лазерного излучения, включающего длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для каждого газообразного вещества, через эталонную ячейку, содержащую эталонный газ, приготовленный из газообразного вещества, а также синхронизации длины волны лазерного излучения, пропущенного через измеряемый газообразный объект, с длиной волны поглощения эталонного газа, лазерное излучение, генерированное средством лазерного излучения, может испытывать меньшую девиацию компонент длины волны (относительно длины волны поглощения); тем самым может быть подавлено снижение точности измерения, обусловленное девиацией длины волны.
Еще один предпочтительный вариант исполнения согласно первому изобретению представляет собой способ измерения плотности,
в котором способ дополнительно оснащен средством для модуляции длины волны и средством для демодуляции длины волны, причем способ включает этапы, в которых:
генерируют многочисленные лазерные излучения, включающие по меньшей мере одну длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для каждого измеряемого газообразного вещества; и
измеряют плотность каждого газообразного вещества в измеряемом газообразном объекте на основе поглощения газообразного вещества для каждой длины волны поглощения.
Еще один предпочтительный вариант исполнения согласно второму изобретению представляет собой устройство для измерения плотности, включающее средство для модуляции длины волны и средство для демодуляции длины волны, в котором многочисленные лазерные излучения, включающие по меньшей мере одну длину волны, эквивалентную длине волны поглощения, характеристической для каждого измеряемого газообразного вещества, генерируют средствами лазерного излучения и измеряют плотность каждого газообразного вещества в измеряемом газообразном объекте на основе поглощения газообразного вещества на каждой длине волны поглощения.
Согласно конфигурации каждого изобретения, как описанного выше, плотности многочисленных газообразных веществ могут быть измерены в одно и то же время; более конкретно, плотности многочисленных дисперсных частиц, таких как черный дым, белый дым, водяные пары, могут быть измерены в то же время, когда могут быть измерены плотности многочисленных газообразных веществ. Таким образом, может быть повышена эффективность анализа выхлопных газов.
Согласно настоящему изобретению могут быть реализованы способ измерения и устройство для измерения плотности многочисленных газообразных веществ и дисперсных частиц в измеряемом газе; тем самым измеряемый газ, включающий газообразные вещества и дисперсные частицы, генерирован в замкнутом резервуаре, таком как камера сгорания парового котла, мусоросжигательная установка, двигатель внутреннего сгорания и так далее, причем газ выводят наружу из замкнутого резервуара; плотности газообразных веществ и плотности дисперсных частиц могут быть измерены в одно и то же время; в дополнение, плотности многочисленных дисперсных частиц, таких как черный дым, белый дым и водяные пары, надежно измеряются простым путем в одно и то же время.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает полную конфигурацию устройства для измерения плотности, которое используют в дизельном двигателе для выполнения анализа выхлопных газов согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 показывает полную конфигурацию устройства для измерения плотности согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет разъяснительный график, иллюстрирующий сигнал синхронизации длины волны.
Фиг.4 представляет разъяснительный график, иллюстрирующий карту коэффициентов ослабления лазерного излучения в отношении черного дыма.
Фиг.5 представляет разъяснительный график, иллюстрирующий карту коэффициентов ослабления лазерного излучения в отношении белого дыма.
Фиг.6 представляет разъяснительный график, иллюстрирующий сравнение между результатом измерения при использовании способа согласно традиционным известным технологиям и результатом измерения при применении способа согласно настоящему изобретению.
Фиг.7 показывает полную конфигурацию устройства для измерения плотности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет разъяснительный график, иллюстрирующий сигнал измерения плотности соответствующего газообразного вещества.
Фиг.9 представляет график, поясняющий технические признаки согласно традиционному известному способу.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на варианты осуществления, показанные на фигурах. Однако размеры, материалы, форма, относительное размещение и так далее компонента, описанного в этих вариантах осуществления, не должны толковаться как ограничивающие область изобретения, если конкретно не оговорено ничто иное.
Первый вариант исполнения
Фиг.1 показывает устройство 3 для измерения плотности, применяемое для анализа выхлопных газов дизельного двигателя 5, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Выхлопную трубу 7 дизельного двигателя 5 оснащают блоком 9 измерительных датчиков, в котором многочисленные лазеры (два лазера в этом примере) излучают так, что лазерное излучение пересекает выхлопную трубу 7. Блок 9 измерительных датчиков оснащен коллиматорами (оптическими линзами) 11а и 11b на стороне испускания лазерного излучения и коллиматорами (оптическими линзами) 13а и 13b на стороне приема лазерного излучения.
Устройство 3 для измерения плотности включает первое средство 15а лазерного излучения и второе средство 15b лазерного излучения. Лазерные излучения, генерированные этими средствами 15а и 15b, передают на блок 9 измерительных датчиков по оптическим волокнам 17. Лазерные излучения, поступающие в блок 9 измерительных датчиков, проходят сквозь выхлопные газы и поступают в первое средство 19а приема лазерного излучения и второе средство 19b приема лазерного излучения. В этих средствах 19а и 19b приема лазерные излучения преобразуются в электрические сигналы, которые вводятся в устройство 23 анализа для анализа плотности газообразного вещества и дисперсных частиц. Далее, устройство 3 для измерения плотности оснащено средством 25 для модуляции длины волны и средством 27 для демодуляции длины волны, и устройство 23 анализа оснащено картой 29 коэффициентов ослабления лазерного излучения, средством 31 для расчета коэффициента ослабления, средством 33 для расчета плотности дисперсных частиц и средством 35 для расчета плотности газообразного вещества.
1
2
Как показано на фиг.2, первое средство 15а лазерного излучения, а также второе средство 15b лазерного излучения составляют источник лазерного излучения; первое средство 15а лазерного излучения испускает лазерные излучения, включающие длину волны λ, тогда как второе средство 15b лазерного излучения испускает лазерные излучения, включающие длину волны λ. Средство 15а лазерного излучения имеет полупроводниковый лазерный диод LD1 и первую схему возбуждения для него, тогда как второе средство 15b лазерного излучения имеет полупроводниковый лазерный диод LD2 и вторую схему возбуждения для него; полупроводниковый лазерный диод LD1 соединен с первой схемой возбуждения, которая формирует LD-драйвер для управления лазерным диодом LD1, в то время как полупроводниковый лазерный диод LD2 соединен со второй схемой возбуждения, которая формирует LD-драйвер для управления лазерным диодом LD2; LD-драйвер контролирует ток возбуждения, подводимый к полупроводниковым диодам LD1 и LD2.
Далее, на первую схему возбуждения первого средства 15а лазерного излучения подают первый модулирующий сигнал f1 из первого средства 37 для модулирования длины волны, и первый сигнал w1 синхронизации длины волны подают из первого демодулирующего средства 41. На вторую схему возбуждения второго средства 15b лазерного излучения подают второй модулирующий сигнал f2 из второго средства 39 для модулирования длины волны, и второй сигнал w2 синхронизации длины волны подают из второго демодулирующего средства 43.
Вышеописанные модулирующие сигналы f1 и f2 подают на соответствующие средства лазерного излучения так, чтобы выполнить частотную модуляцию лазерных излучений; модулирующий сигнал f1 также подают в первое демодулирующее средство 41, чтобы установить синхронизирующий сигнал, который может быть использован для усиления модулирующего сигнала f1; подобным образом модулирующий сигнал f2 также подают на второе демодулирующее средство 43, чтобы установить синхронизирующий сигнал, который может быть использован для усиления модулирующего сигнала f2.
1
2
Лазерные излучения, которые приняты блоком 9 измерительных датчиков, попадают в первое средство 19а приема лазерного излучения и второе средство 19b приема лазерного излучения. Лазерные излучения, поступившие в первое средство 19а приема лазерного излучения и второе средство 19b приема лазерного излучения, преобразуются в электрические сигналы (которые здесь называются сигналами интенсивности) соответственно интенсивности лазерных излучений; а именно первое средство 19а приема лазерного излучения и второе средство 19b приема лазерного излучения выдают сигналы интенсивности. Первое средство 19а приема лазерного излучения включает фотодиод PD1, тогда как второе средство 19b приема лазерного излучения включает фотодиод PD2; фотодиоды PD1 и PD2 преобразуют принятые лазерные излучения в электрические сигналы. Далее, каждое средство 19а и 19b приема лазерного излучения включает предусилитель (предварительный усилитель), который усиливает преобразованные электрические сигналы. Сигналы интенсивности, выданные первым средством 19а приема лазерного излучения или вторым средством 19b приема лазерного излучения, разлагаются на DC-компоненты (постоянного тока) и гармонические АС-компоненты (переменного тока) с использованием средства детектирования DC-компонента (не показано) и средства детектирования AC-компонента (не показано); выделенный DC-компонент соответствует коэффициенту ослабления Ap (ослабление Ap базового уровня на фиг.9) соответственно коэффициенту пропусканию лазерного излучения; коэффициент ослабления Ap приписывают дисперсным частицам и их плотности; сигнал, отвечающий DC-компоненту, посылают в устройство 23 анализа (анализатор) как сигнал I интенсивности пропускания (для первого средства 19а приема лазерного излучения) или I (для второго средства 19b приема лазерного излучения).
Между тем, лазерное излучение, генерированное первым средством 15а лазерного излучения, разуплотняют с помощью демультиплексора и посылают в первую эталонную ячейку 45, в которой инкапсулирован эталонный газ при заданном уровне давления; тем самым свойства инкапсулированного газа становятся уже известными. Лазерное излучение, направленное в первую эталонную ячейку 45, проходит через инкапсулированный газ и принимается третьим средством 47 приема лазерного излучения, в котором интенсивность лазерного излучения преобразуется в электрические сигналы, и затем электрические сигналы преобразуются третьим средством 47 приема лазерного излучения для ввода в первое демодулирующее средство 41. Далее, в первое демодулирующее средство 41 вводится первый модулирующий сигнал f1 из первого средства 37 для модулирования длины волны, и синхронизирующие сигналы, которые синхронизированы с первым модулирующим сигналом f1, создаются из электрических сигналов, преобразованных третьим средством 47 приема лазерного излучения, в первом демодулирующем средстве 41; и с точностью детектируется длина волны поглощения лазерного излучения, которое поглотилось газом, инкапсулированным в эталонной ячейке 45. Детектированная длина волны поглощения является характеристической для типа инкапсулированного газа. Далее, первый сигнал w1 синхронизации длины волны передается из первого демодулирующего средства 41 в схему возбуждения в первом средстве 15а лазерного излучения, чтобы лазерный диод LD1 в первом средстве 15а лазерного излучения генерировал лазерное излучение с длиной волны поглощения.
Подобным образом, разъяснение, аналогичное вышеописанному, может быть приведено в отношении лазерного излучения, которое генерируется вторым средством 15b лазерного излучения и направляется во вторую эталонную ячейку 49, показанную на фиг.2. Лазерное излучение, направленное во вторую эталонную ячейку 49, проходит через инкапсулированный газ и принимается четвертым средством 51 приема лазерного излучения, в котором интенсивность лазерного излучения преобразуется в электрические сигналы. Электрические сигналы, преобразованные четвертым средством 51 приема лазерного излучения, вводятся во второе демодулирующее средство 43. Далее, во второе демодулирующее средство 43 вводится второй модулирующий сигнал f2 из второго средства 39 модуляции длины волны, и синхронизирующие сигналы, которые синхронизированы со вторым модулирующим сигналом f2, создаются из электрических сигналов, преобразованных четвертым средством 51 приема лазерного излучения, во втором демодулирующем средстве 43. Далее, второй сигнал w2 синхронизации длины волны передается из второго демодулирующего средства 43 в схему возбуждения во втором средстве 15b лазерного излучения, чтобы лазерный диод LD2 во втором средстве 15b лазерного излучения генерировал пучки лазерного излучения с длиной волны поглощения.
3
1
2
В этой связи в первой эталонной ячейке 45 инкапсулирован, например, монооксид углерода (СО) в качестве измеряемого эталонного газа; и во второй эталонной ячейке 49 инкапсулирован, например, аммиак (NH) в качестве измеряемого эталонного газа. Точную длину волны λ детектируют с использованием первой эталонной ячейки 45, тогда как точную длину волны λ детектируют с использованием второй эталонной ячейки 49; и на выходе получают сигналы w1 и w2 синхронизации длины волны. Фиг.3 показывает конкретный пример сигнала синхронизации длины волны относительно длины волны лазерного излучения; модуляция выполняется в пределах контрольного диапазона длин волн, как показано на фиг.3.
01
02
01
02
Далее, интенсивность электрического сигнала, выданного третьим средством 47 приема лазерного излучения, рассматривают как сигнал I интенсивности падающего излучения, тогда как интенсивность электрического сигнала, выданного четвертым средством 51 приема лазерного излучения, рассматривают как сигнал I интенсивности падающего излучения; и оба сигнала I и I вводят в анализатор 23.
Анализ плотности, выполненный в анализаторе 23, разъясняется следующим образом.
1
2
Как показано на фиг.4 и 5, анализатор 23 (устройство анализа) (ср. фиг.1) оснащен картой 29 коэффициентов ослабления лазерного излучения (зарегистрированное соотношение между коэффициентом ослабления лазерного излучения и плотностью дыма). Фиг.4 приводит разъяснение относительно карты коэффициентов ослабления лазерного излучения для черного дыма; например, чтобы идентифицировать плотность СО (монооксида углерода), содержащегося в газе, на фиг.4 установлен коэффициент ослабления “a” для лазерного излучения, включающего длину волны λ, а также коэффициент ослабления “с” для лазерного излучения, включающего длину волны λ, причем оба коэффициента ослабления “a” и “c” установлены в соотношении с коэффициентом ослабления для черного дыма. Далее, на фиг.4 каждый из коэффициентов ослабления “a” и “c” выведен как линейная функция или по существу линейная функция относительно коэффициента ослабления лазерного излучения.
1
2
С другой стороны, фиг.5 приводит разъяснение относительно карты коэффициентов ослабления лазерного излучения для белого дыма; например, чтобы идентифицировать плотность СО (монооксида углерода), содержащегося в измеряемом газообразном объекте, на фиг.5 установлен коэффициент ослабления “b” для лазерного излучения, включающего длину волны λ, а также коэффициент ослабления “d” для лазерного излучения, включающего длину волны λ, причем оба коэффициента ослабления “b” и “d” установлены в соотношении с коэффициентом ослабления для белого дыма. Далее, на фиг.5 каждый из коэффициентов ослабления “b” и “d” выведен как линейная функция или по существу линейная функция относительно коэффициента ослабления лазерного излучения.
λ1
1
λ2
2
b
w
Далее, нижеследующие уравнения (1) и (2) справедливы для коэффициента А ослабления лазерного излучения относительно длины волны λ, а также коэффициента А ослабления лазерного излучения относительно длины волны λ в условиях одновременного присутствия черного дыма и белого дыма. Здесь плотность черного дыма обозначена как N, и плотность белого дыма обозначена как N.
λ1
b
w
А=a N+b N (1)
λ2
b
w
А=b N+d N (2)
b
w
b
w
Таким образом, плотность N черного дыма и плотность N белого дыма могут быть получены решением системы уравнений (1) и (2) для неизвестных N и N.
λ1
1
λ2
2
λ1
λ2
Значения коэффициента А ослабления лазерного излучения для длины волны λ, а также коэффициента А ослабления лазерного излучения для длины волны λ рассчитывают с использованием средства 31 для расчета коэффициента ослабления, в котором А и А рассчитывают с использованием следующих формул:
λ1
1
01
А=-Log (I/I)
и
λ2
2
02
А=-Log I/I),
01
02
1
2
λ1
λ2
где I представляет сигнал интенсивности падающего излучения, выданный третьим средством 47 приема лазерного излучения, I представляет сигнал интенсивности падающего излучения, выданный третьим средством 51 приема лазерного излучения, Iпредставляет сигнал интенсивности пропускания, который означает интенсивность лазерного излучения, принятого первым средством 19а приема лазерного излучения, и I представляет сигнал интенсивности пропускания, который означает интенсивность лазерного излучения, принятого вторым средством 19b приема лазерного излучения. Следует отметить, что расчет значений А и А выполняют на основе электрических сигналов интенсивности, выданных многочисленными средствами приема лазерного излучения, которые реально принимают лазерное излучение и преобразуют интенсивности лазерного излучения в электрические сигналы.
b
w
В этой связи расчеты для решения уравнений (1) и (2) относительно плотности N черного дыма и плотности N белого дыма выполняют с помощью средства 33 для расчета плотности дисперсных частиц, которое предусмотрено в анализаторе 23.
1
2
3
s
Далее, как и в вышеописанном случае с расчетом плотности черного дыма и белого дыма в ситуации, где дополнительно к плотности твердых дисперсных частиц должны быть идентифицированы еще и водяные пары, коэффициенты ослабления для каждого из черного дыма, белого дыма и водяных паров при длинах волн λ, λ и λ выводят заблаговременно, и используют следующие уравнения (3), (4) и (5), в которых плотность водяных паров (N) включена в уравнения (1) и (2):
λ1
b
w
s
А=a N+b N+e N (3),
λ2
b
w
s
А=c N+d N+f N (4),
и
λ3
b
w
s
А=g N+h N+i N (5),
и тем самым коэффициенты ослабления а, с и g относятся к черному дыму; коэффициенты ослабления b, d и h относятся к белому дыму; коэффициенты ослабления e, f и i относятся к водяным парам; и,
b
w
s
b
w
s
таким образом, плотность N черного дыма, плотность N белого дыма и плотность N водяных паров могут быть получены решением системы уравнений (3)-(5) с неизвестными N, N и N.
3
3
1
2
3
В этой связи коэффициент ослабления “e” является коэффициентом ослабления, который представляет соотношение между плотностью черного дыма и ослаблением лазерного излучения в отношении лазерного излучения, включающего длину волны λ, которое пропускают через измеряемый газообразный объект. Коэффициент ослабления “f” является коэффициентом ослабления, который представляет соотношение между плотностью белого дыма и ослаблением лазерного излучения в отношении лазерного излучения, включающего длину волны λ, которое пропускают через измеряемый газообразный объект. Коэффициент ослабления “g” является коэффициентом ослабления, который представляет соотношение между плотностью водяных паров и ослаблением лазерного излучения в отношении лазерного излучения, включающего длину волны λ, которое пропускают через измеряемый газообразный объект. Коэффициент ослабления “h” является коэффициентом ослабления, который представляет соотношение между плотностью водяных паров и ослаблением лазерного излучения в отношении лазерного излучения, включающего длину волны λ, которое пропускают через измеряемый газообразный объект. Коэффициент ослабления “i” является коэффициентом ослабления, который представляет соотношение между плотностью водяных паров и ослаблением лазерного излучения в отношении лазерного излучения, включающего длину волны λ, которое пропускают через измеряемый газообразный объект.
1
2
λ1
λ2
Согласно первому варианту исполнения, как описанному выше, многочисленные лазерные излучения с длинами волн поглощения λ и λ, относящимися к газообразным веществам, содержащимся в измеряемом газообразном объекте, пропускают через измеряемый газообразный объект, и многочисленные коэффициенты ослабления лазерного излучения для каждой из длин волн поглощения соответствующих дисперсных частиц, таких как черный дым и белый дым, устанавливают заблаговременно так, чтобы заранее определить коэффициенты ослабления на основе уже известной информации и зафиксировать их в карте 29 коэффициентов ослабления лазерного излучения. Далее измеряют коэффициенты ослабления А и А для каждого из лазерных излучений и проводят корреляцию для каждого измеренного коэффициента ослабления с расчетным значением коэффициента ослабления с использованием карты 29 коэффициентов ослабления, в которой установлены коэффициенты ослабления, чтобы решить систему уравнений для плотностей в отношении дисперсных частиц, таких как черный дым и белый дым, в измеряемом газообразном объекте. Таким образом, решением системы уравнений могут быть просто и достоверно рассчитаны плотности дисперсных частиц, таких как черный дым и белый дым.
01
02
1
2
01
02
1
2
Далее, в варианте исполнения, как описанном до сих пор, интенсивность лазерных излучений, пропущенных через первую эталонную ячейку 45 и вторую эталонную ячейку 49, в которых инкапсулирован эталонный газ из измеряемого газообразного вещества, преобразуют в электрические сигналы интенсивности как сигналы I или I интенсивности падающего излучения. Более того, сигнал интенсивности каждого лазерного излучения, прошедшего через измеряемый объект, преобразуют в сигналы I и I интенсивности пропускания. Основываясь на сигналах I или I интенсивности падающего излучения, а также на сигналах I и I интенсивности пропускания, выполняют измерение плотности с использованием лазерного излучения в отношении длин волн поглощения; таким образом, результаты измерения плотности могут быть свободными от влияния флуктуаций интенсивности лазерного излучения на стороне генерирования.
1
2
Далее, в то время как лазерные излучения направляют на измеряемый газообразный объект, включающий дисперсные частицы или газообразное вещество, лазерные излучения направляют на первую эталонную ячейку 45 и вторую эталонную ячейку 49, в которых инкапсулированы эталонные газы. Основываясь на электрическом сигнале, соответствующем интенсивности лазерного излучения, прошедшего через первую эталонную ячейку 45 или вторую эталонную ячейку 49, длину волны лазерного излучения, генерированного первым средством 15а лазерного излучения или вторым средством 15b лазерного излучения, синхронизируют (фиксируют около) длины волны поглощения, характеристической для газа, инкапсулированного в первой эталонной ячейке 45 или второй эталонной ячейке 49. Таким образом, длину волны лазерного излучения, прошедшего через первую эталонную ячейку 45, фиксируют около длины волны поглощения λ эталонного газа, инкапсулированного в первой эталонной ячейке 45, и длину волны лазерного излучения, прошедшего через вторую эталонную ячейку 49, фиксируют около длины волны поглощения λ эталонного газа, инкапсулированного во второй эталонной ячейке 49; поэтому девиация длины волны каждого средства 15а или 15b лазерного излучения ограничивается; соответственно этому предупреждается нарушение точности измерения плотности вследствие девиации длины волны.
На фиг.6 приведен пример, в котором сравнивают результат измерения плотности черного дыма согласно этому первому варианту исполнения с результатом измерения согласно традиционному способу, а именно в подходе с отбором образца газа. Как показано в области А на фиг.6, согласно традиционному способу различимы задержки в получении данных измерения при использовании общепринятых измерительных устройств, и также наблюдается релаксация (то есть расплывчатость) характеристики чувствительности. Напротив, в соответствии с этим первым вариантом исполнения подтверждено, что обнаружение плотности может быть реализовано с повышением чувствительности измерений.
Второй вариант исполнения
Далее с привлечением фиг.7 и 8 разъясняется второй вариант исполнения согласно настоящему изобретению.
В дополнение к измерению плотности многочисленных дисперсных частиц в измеряемом газообразном объекте, которое разъяснено в первом варианте исполнения, второй вариант исполнения относится к измерению плотности многочисленных газообразных веществ в измеряемом газообразном объекте; а именно выполняют измерение плотности дисперсных частиц и измерение плотности газообразного вещества. В этой связи те же самые элементы во втором варианте исполнения, как в первом варианте осуществления, обозначены такими же символами, и разъяснение одинаковых элементов опущено.
Полная конфигурация на фиг.7 соответствует таковой на фиг.2 согласно первому варианту исполнения; в дополнение к первому варианту исполнения, в этом втором варианте осуществления предусмотрены третье демодулирующее средство 55, четвертое демодулирующее средство 57 и средство 35 для расчета плотности газообразного вещества (ср. фиг.1).
Как разъяснено в первом варианте исполнения, лазерное излучение, которое направлено на первое средство 19а приема лазерного излучения, преобразуется в электрические сигналы (сигналы интенсивности) соответственно интенсивности лазерного излучения; а именно первое средство 19а приема лазерного излучения выдает сигналы интенсивности, которые разлагаются на DC-компоненты (постоянного тока) и гармонические АС-компоненты (переменного тока) (значения содержания) с использованием средства детектирования DC-компонента (не показано) и средства детектирования АС-компонента (не показано); выделенный DC-компонент соответствует коэффициенту ослабления Ар (ослабление Ар базового уровня на фиг.9) соответственно коэффициенту пропускания лазерного излучения; коэффициент ослабления Ар может быть приписан дисперсным частицам и их плотности; и коэффициент ослабления Ар используют для расчета плотности дисперсных частиц.
С другой стороны, из выделенных гармонических АС-компонентов третье демодулирующее средство 55 выводит сигнал, который синхронизируется с первым модулирующим сигналом f1, выданным первым средством 37 модуляции длины волны; сигнал, выведенный третьим демодулирующим средством 55, пропускают через фильтр, который удаляет шумы только что описанного выведенного сигнала. Таким образом, демодулирующее средство выдает сигнал максимального поглощения в демодулированных сигналах. На основе величины (значения) сигнала максимального поглощения детектируют плотность газообразного вещества в измеряемом газообразном объекте. Ослабление (поглощение) Ag в форме пика, как показано на фиг.9, представляет ослабление, приписываемое газообразному веществу; таким образом, плотность газообразного вещества может быть рассчитана с использованием ослабления Ag. В этом описании ослабление Ag представлено как пиковое ослабление.
1
1
g1
1
g1
1
1
1
1
.
С использованием пикового (ослабления) сигнала А (эквивалентного ослаблению Ag, как описано выше), который получают с помощью третьего демодулирующего средства 55, и сигнала I интенсивности пропускания, который выдан первым средством 19а приема лазерного излучения, плотность N газообразного вещества, поглощающего лазерное излучение с длиной волны λ, рассчитывают по формуле N=α A/I, в которой символ α обозначает коэффициент пропорциональности.
g1
g2
2
g2
2
2
2
2
g1
g2
.
Как в случае с плотностью N газообразного вещества, плотность N газообразного вещества, поглощающего лазерное излучение с длиной волны λ, рассчитывают по формуле N=α A/I, в которой символ α обозначает коэффициент пропорциональности. В этой связи расчеты плотностей N и N выполняют с помощью средства 35 для расчета плотности газообразного вещества в анализаторе 23.
3
Согласно второму варианту исполнения могут быть измерены плотности двух типов газообразных веществ (СО или NH); другими словами, в дополнение к измерению плотности черного дыма и белого дыма в то же время может быть выполнено измерение плотности двух типов газообразных веществ. Таким образом, может быть повышена эффективность анализа выхлопных газов дизельного двигателя 5.
3
3
x
Далее, когда вместо двух типов газообразных веществ (например, СО и NH) рассматривают три типа газообразных веществ (например, СО, NH и NO), эффективность измерений плотности выхлопных газов повышается еще больше, поскольку измерение плотности многочисленных дисперсных частиц, таких как черный дым, белый дым и водяные пары, может быть выполнено в одно и то же время параллельно измерению плотности газообразных веществ.
В дополнение, нет необходимости говорить о том, что число соответствующих газообразных веществ, которые могут быть проанализированы в одно и то же время, не ограничивается ни двумя, ни тремя. Само собой разумеется, плотности дисперсных частиц более чем трех сортов, если требуется, могут быть измерены в одно и то же время параллельно измерению плотности многочисленных газообразных веществ.
В вышеприведенном разъяснении относительно первого и второго вариантов исполнения полупроводниковый лазерный диод показан как пример источника лазерного излучения; естественно, могут быть использованы другие устройства, генерирующие лазерное излучение, которые могут выполнять модуляцию длины волны или амплитудную модуляцию.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению представлены способ измерения и устройство для измерения плотности многочисленных газообразных веществ и дисперсных частиц в измеряемом газе; причем измеряемый газ, включающий газообразные вещества и дисперсные частицы, генерируется в замкнутом резервуаре, таком как камера сгорания парового котла, мусоросжигательная установка, двигатель внутреннего сгорания и так далее, причем газ из замкнутого резервуара выбрасывается наружу; плотности газообразных веществ и плотности дисперсных частиц могут быть измерены в одно и то же время; в дополнение, в то же время простым путем надежно измеряются плотности многочисленных дисперсных частиц, таких как черный дым, белый дым и водяные пары. Таким образом, настоящее изобретение представляет полезный способ измерения плотности и соответственно ему применимое устройство для измерения плотности.