ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретнее, к оптическим методам анализа и может быть использована для измерения дымности отходящих газов в энергетических отраслях промышленности и на транспорте.
Известно устройство для измерения концентрации компонент в газовой среде, содержащее излучатель, оптически сопряженный с двумя фотопреобразователями, причем с одним из них - через исследуемую среду, а с другим - через среду и введенную в нее заглушенную оптически прозрачным материалом трубу, делитель, логарифматор, умножитель, два блока памяти и регистратор [А.С. СССР №1704039, МПК G 01 N 21/53, опубликованный 7.01.1992, БИ №1, автор М.И.Сапаров, и д.р. Устройство для измерения концентрации компонент в газовой среде].
Недостатком известного устройства является неисключенная погрешность измерения оптической плотности, обусловленная загрязнением оптических элементов налипающими на них твердыми частицами.
Известно оптикоэлектронное устройство для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах, содержащее излучатель, коллимирующий элемент, два фотоприемника, логарифматоры, защитные стекла, полые светопроводы, отверстия для подачи защитного газа, за защитным стеклом в полом светопроводе блока излучателя закреплен отражатель, оптически сопряженный с фотоприемником опорного канала, установленным в блоке излучателя, в электронную схему устройства введены два линейных усилителя с регулируемыми коэффициентами
усиления, дифференциальный усилитель и компаратор, выход измерительного фотоприемника через линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входом первого логарифматора, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход опорного фотоприемника через второй линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входами компаратора и второго логарифматора, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя [патент РФ №2133462, МПК G 01 №21/59, опубликованный 20.07.1999, БИ №20, автор Гришанов В.Н. и др. Оптикоэлектронное устройство для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах].
Недостатком оптикоэлектронного устройства является то, что контролируется загрязнение только защитного стекла блока излучателя, а также возможно загрязнение отражателя, кроме того, шумовые, темновые и фоновые характеристики фотоприемников и усилителей могут изменяться со временем и при изменении параметров контролируемого потока. Все это ограничивает функциональные возможности устройства и снижает достоверность контроля концентрации твердых частиц в дымовых газах.
Техническим результатом является повышение точности и достоверности получаемых результатов за счет компенсации погрешности измерения, связанной с загрязнением оптических элементов, и учета шумовых, темновых и фоновых характеристик фотоприемников.
Технический результат достигается тем, что в оптикоэлектронное устройство для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах, содержащее блок излучателя, состоящий из источника света, коллимирующего элемента, защитного стекла, корпуса, светопровода, отверстий для подачи защитного газа, блока приемников, состоящего из двух фокусирующих элементов, опорного и измерительного
фотоприемников, защитного стекла, корпуса, светопровода, отверстий для подачи защитного газа, первый и второй линейные усилители с регулируемыми коэффициентами усиления, первый и второй логарифматоры, дифференциальный усилитель, регистратор и компаратор, причем выход измерительного фотоприемника, установленного в блоке приемников, через первый линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входом первого логарифматора, выход опорного фотоприемника через второй линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входами компаратора и второго логарифматора, выходы логарифматоров соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с регистратором дополнительно введены двухполюсные переключатели и третий светопровод, который размещен в светопроводах блока излучателя и блока приемников, выполнен в виде полой трубы, ось которой совпадает с оптической осью опорного фотоприемника, который установлен в блоке приемников, оптически связан с коллимирующим элементом источника света и расположен диаметрально противоположно измерительному фотоприемнику, выход первого логарифматора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а выход второго логарифматора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, причем корпус блока приемников выполнен с возможностью поворота на 180°, а линейные усилители через двухполюсные переключатели соединены с фотоприемниками.
На фиг.1 принципиальная схема устройства.
Устройство содержит блок излучателя 1, блок приемников 2, источник света 3, коллимирующий элемент 4, защитные стекла 5 и 6, светопроводы блока излучателя 7 и блока приемников 8, два фокусирующих элемента 9, 10, опорный фотоприемник 11, измерительный фотоприемник 12, линейные усилители с регулируемым коэффициентом
усиления 13, 14, логарифматоры 15, 16, компаратор (пороговый элемент) 17, дифференциальный усилитель (вычитатель) 18, регистратор 19, блок двухполюсных переключателей 20, корпуса 21, 22, в светопроводы блока излучателя и блока приемников помещен третий светопровод 23, выполненный в виде полой трубы, на входе и выходе которой, выполнены отверстия, совмещенные с отверстиями 24, 25 для подачи защитного газа в светопроводах блока излучателя и блока приемников, блоки излучателя и приемников соосно располагаются на противоположных стенках дымохода 26, в которых предварительно выполнены отверстия 27, источник электропитания 28.
Источник света (светодиод, лазер, лампа и т.п.) 3, коллимирующий элемент 4, защитное стекло 5 вместе с корпусом 21, светопроводом 7 и отверстиями для подачи защитного газа 24 объединены в блок излучателя 1, а два фокусирующих элемента (линза, объектив, фокусатор и т.п.) 9, 10, опорный фотоприемник (фотодиод, фотоэлемент, и т.п.) 11, измерительный фотоприемник (фотодиод, фотоэлемент, и т.п.) 12 вместе с защитным стеклом 6 и герметичным корпусом 22, светопроводом 8 и отверстиями подачи защитного газа 25 объединены в блок приемников 2. Фокусирующий элемент 9, фотоприемник 11, второй линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 13, второй логарифматор 15 образуют опорный канал, а фокусирующий элемент 10, фотоприемник 12, первый линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14 и первый логарифматор 16 измерительный канал. Выходы первого 16 и второго 15 логарифматоров соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя 18, выход которого соединен с регистратором 19. Излучатель 3, первый 14 и второй 13 линейные усилители с регулируемым коэффициентом усиления, первый 16 и второй 15 логарифматоры, компаратор 17, дифференциальный усилитель 18 и регистратор 19 подключены к источнику питания 28.
Устройство работает следующим образом.
Подается питание от источника электропитания 28 к излучателю 3, первому 14 и второму 13 линейным усилителям с регулируемым коэффициентом усиления, первому 16 и второму 15 логарифматору, компаратору 17, дифференциальному усилителю 18 и регистратору 19. Свет от излучателя 3, проходя через коллимирующий элемент 4, преобразуется в параллельный пучок, который проходит сквозь защитное стекло 5, установленное в корпусе 21. В первом и втором светопроводах 7 и 8 формируется измерительный пучок света, который, проходя через защитное стекло 6, установленное в корпусе 22 поступает на фокусирующий элемент 10 и попадает на измерительный фотоприемник 12. Опорный пучок света формируется с помощью третьего светопровода 23, изготовленного в виде полой трубы на входе и выходе которой выполнены отверстия, совмещенные с отверстиями 24, 25 в светопроводах блока излучателя 7 и блока приемников 8, через которые подается защитный газ. Опорный пучок света проходит через защитное стекло 6, установленное в корпусе 22 блока приемников, поступает на фокусирующий элемент 9 и попадает на опорный фотоприемник 11. Сигналы от фотоприемников 11 и 12 через блок двухполюсных переключателей 20 поступают на входы первого 14 и второго 13 линейных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления. С выходов первого 14 и второго 13 линейных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления сигналы поступают на входы первого 16 и второго 15 логарифматоров, где преобразуются и поступают на неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя 18, где измерительный сигнал вычитается из опорного. С выхода дифференциального усилителя результирующий сигнал поступает в регистратор 19. Опорный сигнал с выхода второго линейного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 13 поступает также в компаратор
17, где сравнивается с заданным (опорным) уровнем. При отсутствии дыма в дымоходе 26 с отверстиями 27 сигналы от измерительного канала, образованного фокусирующим элементом 10, измерительным фотоприемником 12, первым линейным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 14, первым логарифматором 16 и опорного канала, образованного фокусирующим элементом 9, опорным фотоприемником 11, вторым линейным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 13, вторым логарифматором 15 на входе в дифференциальный усилитель 18 должны быть одинаковыми. Путем регулировки коэффициентов усиления первого 14 и второго 13 линейных усилителей устанавливают равенство сигналов, подаваемых на входы дифференциального усилителя 18, соответственно устанавливают нулевое значение результирующего сигнала, и соответственно нулевое значение оптической плотности или уровня дымности отходящих газов на регистраторе 19. При загрязнении газового потока сажевыми частицами оптическое пропускание его уменьшится, в результате чего уменьшится выходной сигнал измерительного канала и соответственно регистратор 19 покажет значение дымности потока. Компаратор 17 выдает сигнал предупреждения о недопустимом снижении интенсивности опорного пучка света (недопустимом загрязнении защитных стекол 5 и 6), который указывает на необходимость для очистки стекол 5, 6 или замены излучателя 3. Для того чтобы контролировать состояние защитного стекла по всей поверхности, а также учитывать шумовые, темновые и фоновые характеристики фотоприемников и усилителей, блок приемников выполнен с возможностью поворота на 180°. Блок двухполюсных переключателей 20 кинематически связан с положением корпуса блока приемников. В левом положении двухполюсных переключателей 20 опорный фотоприемник 11, второй линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 13, второй логарифматор 15 регистрируют
опорный сигнал, а измерительный фотоприемник 12, первый линейный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, первый логарифматор 16 - измерительный сигнал. При повороте корпуса 22 блока приемников опорный фотоприемник 11 переходит в положение измерительного фотоприемника 12. При этом кинематически связанный с корпусом приемников, блок двухполюсных переключателей 20, устанавливается в правое положение (пунктир) и измерительный фотоприемник 12, находящийся в положении опорного фотоприемника, подключается ко второму линейному усилителю с регулируемым коэффициентом усиления 13, а опорный фотоприемник 11, находящийся в положении измерительного фотоприемника, подключается к первому линейному усилителю с регулируемым коэффициентом усиления 14. При этом сигналы от опорного канала, образованного фокусирующим элементом 10, измерительным фотоприемником 12, вторым линейным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 13, вторым логарифматором 15 подключенного к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 18, и измерительного канала, образованного фокусирующим элементом 9, опорным фотоприемником 11, первым линейным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления 14, первым логарифматором 16, подключенного к инвертирующему входу дифференциального усилителя 18 при при отсутствии дыма должны быть одинаковыми. Результирующий сигнал с выхода дифференциального усилителя должен равняться нулю. При наличии дыма показания устройства в исходном и «повернутом» положениях корпуса 22 блока приемников должны совпадать. При обнаружении отклонений в показаниях устройства при исходном и «повернутом» положениях корпуса 22 блока приемников производят подрегулировку каналов измерения или замену фотоприемников и усилителей. Благодаря введению в устройство третьего светопровода 23, который формирует опорный пучок света
оптически связанный с опорным фотоприемником 11, установленным в корпусе 22 блока приемников обеспечивается компенсация флуктуации интенсивности света излучателя 3, и уменьшение опорного и измерительного пучков света за счет загрязнения защитных стекол 5, 6 сажей. Установка первого 14 и второго 13 линейных усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления перед первым 16 и вторым 15 логарифматорами, позволяет электронными методами выровнить чувствительность измерительного и опорного каналов, вызванных температурным дрейфом или процессами старения. Выполнение корпуса 22 блока приемников поворотным на 180° позволяет контролировать состояние защитных стекол по всей поверхности, а также компенсировать изменение шумовых, темновых, фоновых характеристик фотоприемников и усилителей в процессе работы электронными средствами.
Предлагаемая конструкция оптикоэлектронного устройства для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах позволяет повысить точность и достоверность получаемых результатов за счет компенсации погрешности измерения, связанной с загрязнением оптических элементов и учета шумовых, темновых и фоновых характеристик фотоприемников.