Инфракрасный датчик концентрации пылегазовых веществ в трубопроводе

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Датчик содержит первый источник излучения, первый приемник излучения, помещенный в стенку трубопровода против первого источника, второй источник излучения, второй приемник излучения, смонтированный вдоль трубопровода против второго источника на расстоянии d, где d – диаметр трубопровода, и блок вычитания, выход которого является выходом датчика. Технический результат: упрощение процесса исключения температурного влияния на результат измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен оптический пылемер выбросов сажи, содержащий источник света и фотоприемник, укрепленные в газоходе таким образом, чтобы соблюдалось условие соосности. Выходной сигнал фотоприемника через измерительный блок (см. Устройство для измерения оптической плотности дымовых газов, а.с. №402721, БИ №42, 1973), осуществляющий одновременно стабилизацию нуля, подается на измеритель. Здесь по амплитуде переменной составляющей сигнала определяют плотность измеряемого пылегазового потока.

Недостатком этого устройства следует считать погрешность, связанную со старением источника и фотоприемника и запыленностью их оптических деталей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип оптико-электрический датчик пылегазовыбросов (см. В.А.Захаренко, А.Г.Шкаев. Сборник материалов XIII научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", М.: МГИЭМ, 2001, стр. 63), состоящий из источника и приемника излучения, электрических схем стабилизации лучистого потока и параметров приемника излучения, логарифмического и токового преобразователей. В устройстве по выходному сигналу логарифмического преобразователя оценивают концентрацию пыли в газоходе.

Недостатком этого известного датчика является сложность процедуры стабилизации лучистого потока излучения и параметров приемника излучения.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является упрощение процесса компенсирования сигнала, вызванного температурной нестабильностью приемника излучения.

Поставленная задача решается тем, что в инфракрасный датчик концентрации пылегазовых веществ в трубопроводе, содержащий первые источник и приемник излучения, помещенные в противоположенные стенки трубопровода друг против друга, введены блок вычитания, вторые источник и приемник излучения, смонтированные вдоль трубопровода друг против друга на расстоянии d, где d - диаметр трубопровода, причем выход первого приемника излучения соединен с первым входом блока вычитания, выход второго приемника излучения подключен ко второму входу блока вычитания, выход последнего является выходом датчика.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие блока вычитания и смонтированных вдоль трубопровода друг против друга вторых источника и приемника излучения.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков, определение разности выходных сигналов первого и второго приемников излучения позволяет решить поставленную задачу: упростить процедуру исключения температурного влияния на результат измерения.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого датчика.

Датчик содержит первый источник излучения 1, направляющий выходной сигнал на первый приемник излучения 2, второй источник излучения 3, передающий выходной сигнал без пыли во второй приемник излучения 4, соединенный выходом со вторым входом блока вычитания 5. На чертеже под номером 6 обозначен трубопровод.

В местах расположения первых источника и приемника излучения для оптической связи с контролируемым потоком и защиты их рабочих поверхностей от пыли (обдув воздухом) необходимо предусмотреть смотровые стекла.

Вторые источник и приемник излучения монтируются на наружной поверхности трубопровода.

Датчик работает следующим образом. Инфракрасный сигнал от первого источника излучения 1 проходит через трубопровод 6 с контролируемой пылегазовой средой и воспринимается первым приемником излучения 2. Выходной сигнал последнего согласно закону Бугера зависит от интенсивности выходного излучения первого источника I_o, толщины слоя пылегазового материала (диаметр трубопровода d), его коэффициента поглощения α и концентрации пыли С. В силу этого для концентрации С можно записать

где I - интенсивность излучения после прохождения с пылью.

Как известно, приемник излучения (фотодиод) обладает температурной нестабильностью, т.е. в данном случае выходной сигнал первого приемника (фотодиода) будет изменяться как от С (при α=const), так и от температуры окружающей среды Т. В результате для выходного сигнала первого приемника U₁ будем иметь

где U_o - сигнал, обусловленный отсутствием в трубопроводе (газоходе) пылегазового вещества; U_с - сигнал, обусловленный ослаблением интенсивности инфракрасного излучения при его прохождении через контролируемую среду (запыленность); U_т - температурный сдвиг сигнала (положительный температурный коэффициент фотодиода).

В заявляемом датчике для исключения температурной погрешности измерения концентрации предлагается использовать воспринимающий вторым приемником (фотодиодом) излучения 4 от второго источника излучения 3 сигнал без пыли. В соответствии с этим сигнал на выходе второго приемника излучения U₂ можно выразить формулой

Из сравнения выражений (I) и (2) видно, что при выполнении условий идентичности характеристик (мощность излучения, длина волны, температурная нестабильность) источников и приемников излучения, расстояния между ними, а также коэффициентов поглощения разность выходных сигналов первого и второго приемников не зависит от температуры окружающей среды и является только функцией концентрации пыли. Для вычисления ΔU - разности сигналов U₂ и U₁ в данном датчике выходные сигналы, описываемые соответствующими формулами (1) и (2), поступают на соответствующие входы блока вычитания 5. С выхода последнего снимается сигнал, который может быть использован для определения концентрации пылегазового вещества без влияния температуры окружающей среды.

При этом следует отметить, что коэффициент поглощения α находится индивидуально в зависимости от вида и состава измеряемого вещества.

Итак, в заявляемом датчике на базе двух пар источников и приемников излучения, осуществляющих одновременно прохождение сигнала через трубопровод с пылегазовой средой и непосредственно от источника до приемника (без пыли), можно упростить процедуру исключения влияния температуры окружающей среды на результат измерения концентрации.

Формула изобретения

Инфракрасный датчик концентрации пылегазовых веществ в трубопроводе, содержащий первые источник и приемник излучения, помещенные в противоположенные стенки трубопровода напротив друг друга, отличающийся тем, что в него введены блок вычитания, вторые источник и приемник излучения, смонтированные вдоль трубопровода напротив друг друга на расстоянии d, где d – диаметр трубопровода, причем выход первого приемника излучения соединен с первым входом блока вычитания, выход второго приемника излучения подключен ко второму входу блока вычитания, выход последнего является выходом датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1