Устройство для автоматического контроля состава отработанных газов

 

Использование: горная автоматика, а более конкретно-контроль состава отработанных газов, для управления топками электростанций, котельных и других термических установок, в которых сжигается уголь или мазут, а также для управления вентиляцией и пылеулавливанием угольных шахт и различных предприятий. Сущность изобретения: устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг напротив друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соедиеннные измеритель разности и измеритель отношений, снабжено дополнительным фотоприемником, вычислительным блоком, измерителем отношений, тремя измерителями разности и десятью цепями из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3 1,7 м, 3,0 3,4, 4,1 4,5, 4,5 4,7 и 7,6 8,4 мкм. 7 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к контролю состава отработанных газов, и может быть использовано для управления топками электростанций, котельных и других термических установок, в которых сжигается уголь или мазут, а также для управления вентиляцией и пылеулавливанием угольных шахт и различных предприятий.

Известен абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, модулятор потока излучения, расположенный на оптической оси источника излучения, сравнительный и измерительные оптические каналы, включающие сравнительную и измерительную кюветы с фильтрами, приемник излучения, оптически связанный с упомянутыми кюветами и регистрирующий прибор, в котором для повышения точности и чувствительности измерительные кюветы расположены под сравнительной кюветой параллельно одна другой, а модулятор потока излучения выполнен в виде пар призм, совмещенных по диагонали с возможностью перемещения призм в каждой паре одна относительно другой по нормали к поверхности их разделения, при этом половина пар призм установлена на входах кювет, а другая половина на выходах [1] Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с влиянием флуктуаций содержания пыли и неучетом истинной концентрации пыли.

Известно устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соединенные измеритель разности и измеритель отношений, который для повышения точности снабжен вращающимся обтюратором с двумя подвижными коллиматорами, блоком хранения-выборки, логарифматором, двумя блоками умножения, генератором импульсов, делителем частоты, управляемым коммутатором, целью из последовательно соединенных второго блока хранения-выборки, второго логарифматора, оперативного запоминающего устройства, двух измерителей разности и измерителя отношений, а также цепью из последовательно соединенных третьего блока хранения-выборки и трех измерителей отношений, причем информационный вход управляемого коммутатора соединен с выходом инфракрасного фотодиода, первый управляющий вход соединен с первым выходом генератора импульсов, второй управляющий вход соединен с входом запоминающего устройства и с выходом делителя частоты, вход которого соединен со вторым выходом генератора импульсов, а выходы управляемого коммутатора соединены с входами блоков хранения-выборки, выход первого из которых соединен с вторым входом второго измерителя отношений, а выход третьего блока хранения-выборки через первый логарифматор соединен с вторым входом первого измерителя разности, выходы первого и четвертого измерителей отношений соединены с вторым и третьим входами порогового блока, четвертый вход которого соединен с вторым задатчиком, выход третьего измерителя отношений соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с третьим задатчиком, а выход соединен с вторым входом второго измерителя разности, второй вход третьего измерителя отношений соединен с четвертым задатчиком, второй вход четвертого измерителя отношений соединен с пятым задатчиком и с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с шестым задатчиком, а выход соединен с вторым входом первого измерителя отношений, при этом неподвижный коллиматор выполнен расширяющимся и установлен у лазерного инфракрасного светодиода широкой стороной к инфракрасному фотодиоду, первый подвижный коллиматор выполнен сужающимся и установлен перед инфракрасным фотодиодом одной лопасти обтюратора узкой стороной к светодиоду, а второй подвижный коллиматор выполнен кольцевым и установлен на второй лопасти обтюратора [2] Недостатками известного устройства являются невозможность измерения содержаний пыли, угля, влаги, угарного и углекислого газов в отработавших газах и низкая точность измерений за счет влияния изменений интенсивности инфракрасного излучения, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработанных газов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем дополнительного измерения содержаний пыли, угля, влаги, угарного и углекислого газов в отработанных газах при одновременном повышении точности за счет устранения влияний изменения интенсивности инфракрасного излучения, загрязнения окон источника и фотоприемника и изменений температуры отработавших газов, а также одновременное упрощение устройства.

Цель достигается тем, что устройство автоматического контроля состава отработанных газов, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и фотоприемник с модулятором, блок индикации и регистрации, пять задатчиков, измеритель разности, три измерителя отношений, последовательно соединенные измеритель разности и измеритель отношений, снабжено дополнительным фотоприемником, вычислительным блоком, измерителем отношений, тремя измерителями разности и десятью цепями из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7, 3,0-3,4, 4,1-4,5, 4,5-4,7 и 7,6-8,4 мкм, при этом выходы фотоприемников соединены со входами усилителей, выходы пяти полосовых фильтров от выходов дополнительного фотоприемника соединены с первыми входами измерителей разности, ко вторым входам которых подключены выходы задатчиков, выходы измерителей разности соединены с первыми входами измерителей отношений, ко вторым входам которых подключены выходы пяти полосовых фильтров от выходов фотоприемника, выходы пяти измерителей отношений соединены со входами вычислительного блока, выход которого соединен со входом блока индикации и регистрации.

Изобретательский акт при создании устройства состоит в преодолении технического противоречия. Суть противоречия заключается в следующем. Для расширения функциональных возможностей при обычном инженерном проектировании усложняют устройство введением дополнительных каналов. Для устранения каждого влияющего действия получают специальный корректирующий сигнал о действии, что также усложняет устройство. В предложенном устройстве расширение функциональных возможностей и повышение точности путем устранения влияния трех сильных возмущающих факторов достигнуты одновременно не только без дополнительного усложнения устройства, но и при упрощении устройства по сравнению с прототипом. Для преодоления технического противоречия необходимы и достаточны все отличительные признаки устройства: 1) дополнительный фотоприемник, 2) вычислительный блок, 3) измеритель отношений, 4) три измерителя разности, 5) десять цепей из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, 6) дополнительный фотоприемник установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения за модулятором, 7) оба фотоприемника выполнены пятидиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7, 3,0-3,4, 4,1-4,5, 4,5-4,7 и 7,6-8,4 мкм, 8) выходы фотоприемников соединены со входами усилителей, 9) выходы пяти полосовых фильтров от выходов дополнительного фотоприемника соединены с первыми входами измерителей разности, 10) ко вторым входам измерителей разности подключены выходы задатчиков, 11) выходы измерителей разности соединены с первыми входами измерителей отношений, 12) ко вторым входам измерителей отношений подключены выходы пяти полосовых фильтров от выходов фотоприемника, 13) выходы пяти измерителей отношений соединены со входами вычислительного блока, 14) выход вычислительного блока соединен со входом блока индикации и регистрации. Первый пятый, восьмой и 14-й признаки известны сами по себе по отдельности, однако для преодоления технического противоречия, т.е. для достижения поставленной цели, они никогда ранее не служили. Остальные семь признаков неизвестны даже по отдельности сами по себе. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из 14 отличительных признаков, то цель не будет достигнута. Это однозначно следует из приведенного ниже описания. Поэтому совокупность 14 отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1 показаны спектры ослабления (поглощения) инфракрасного излучения (далее ИК-излучения) влагой H₂О, СО, СH₄, N₂О, О₃, СО₂, HDO и солнечный спектр ИК-излучения; на фиг.2 зависимости коэффициентов ослабления ИК-излучения угольной пылью (кривая 1), известняковой пылью (кривая 2), песканиковой пылью (кривая 3) от длины волны λ; на фиг.3 зависимости интенсивности прошедшего I_п и рассеянного вперед I_рИК-излучения через слой дыма толщиной d от общего содержания пыли С_п в отработавших газах; на фиг.4 зависимости отношения интенсивностей η_п= I_р/I_п от С_п при 0 < C_п < 170 г/м³; на фиг.5 зависимости отношения η_п I_р/I_п от С_п при 170 г/м³ < C_п < 340 г/м³; на фиг.6 зависимости абсолютных значений относительных чувствительностей прошедшегоS_п| и рассеянного впередS_p| ИК-излучения к содержанию общей пыли в дыме С_пот самого содержания С_п, а также зависимость абсолютного значения относительной чувствительности отношенияS_o| от С_п; на фиг.7 функциональная схема устройства для автоматического контроля состава отработавших газов.

Сущность изобретения поясняется следующими обстоятельствами.

Интенсивность прошедшего через слой дыма толщиной d ИК-излучения I_п экспоненциально уменьшается с ростом общего содержания пыли в дыме С_ппо формуле I_п I_оп exр(-K_пdC_п), (1) где I_оп интенсивность прошедшего ИК-излучения при С_п 0; К_п коэффициент ослабления ИК-излучения пылью. Если d измеряется в метрах (м), а содержание С_п измеряется в г/м³, то для получения безразмерного произведения К_пС_пd коэффициент К_п необходимо выразить в м²/г.

Интенсивность рассеянного в направлении вперед в слое дыма толщиной d ИК-излучения I_р изменяется с изменением С_п по формуле I_p I_оp + σ_п dC_п exр (- К_рdC_п), (2) где I_ор интенсивность рассеянного вперед ИК-излучения при С_п 0; σ_п- коэффициент рассеивания ИК-излучения пылью, К_р коэффициент ослабления рассеянного вперед ИК-излучения пылью. Если С_п измеряется в г/м³, а d в м, то σ_п, К_р и К_п выражаются в м²/г.

Чтобы обеспечить независимость интенсивностей I_п и I_р от влияния изменений влаги, СО, СО₂, других газов в дыме, а также от изменений содержаний песчаниковой С_пс и известняковой С_и (т.е. устранить влияние перераспределений содержаний угольной С_у, песчаниковой С_пс и известняковой С_и пыли при С_п С_у + C_пс + C_и cоnst) нужно выбрать соответствующим образом длину волны для определения С_п.

Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 7,6-8,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения основными газовыми компонентами дымовых газов и в этом диапазоне длин волн отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой. Кроме того, в данном диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой К_пс и известняковой К_и пылью близки друг к другу К_пс ≈ К_и. Поэтому в диапазоне длин волн от 7,6 мкм до 8,4 мкм интенсивности прошедшего I_п и рассеянного вперед I_р ИК-излучения будут зависеть лишь от общего содержания пыли в дыме С_п и никак не будут зависеть от перераспределения содержаний С_у, С_пс и С_и при С_п соnst.

Из приведенных на фиг.1 и фиг.2 графиков видно, что в диапазоне длин волн ИК-излучения 3,0-3,4 мкм отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и дымовыми газами, содержания которых может сильно меняться, углекислым и угарным газами. Содержание метана в дымовых газах пренебрежимо мало, поэтому метан не оказывает заметного влияния на ослабление и рассеивание ИК-излучения. Поэтому коэффициентами ослабления и рассеивания ИК-излучения в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм влагой К_в, угарными К_г и углекислым К_к газами можно пренебречь, так как они не менее чем в сотни раз меньше по сравнению с коэффициентами ослабления ИК-излучения различными компонентами пыли: К_в ≈ 0, К_г ≈ 0, К_п >> К_в,К_п >> К_г, К_п >> К_к, К_у >> К_в, К_у >> К_г, К_у >> К_к, К_пс >> К_в, К_пс >> К_г, К_пс >> К_к, К_и >> К_в, К_и >> К_г, К_и >> К_к. Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм коэффициенты ослабления ИК-излучения известняковой и песчаниковой пылью примерно равны между собой К_и ≈ К_пс. Кроме того, в этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения угольной пылью почти в три раза отличаются от коэффициентов ослабления ИК-излучения компонентами породной пыли (известковой и песчаниковой).

Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 4,1-4,5 мкм находится сильная полоса поглощения ИК-излучения углекислым газом СО₂, отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излученя влагой и другими дымовыми газами, содержания которых в дыме может сильно меняться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излученя песчаниковой К_пс и известняковой пылью К_и примерно равны между собой и в 2,6 раза отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью.

Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 4,5-4,7 мкм находится сильная полоса поглощения ИК-излучения угарным газом СО₂, отсутствуют сильные полосы поглощения ИК-излучения влагой и другими дымовыми газами, содержания которых в дыме может сильно меняться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой К_пс и известняковой К_и пылью примерно равны между собой и в 2,5 раза отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью К_у.

Таким образом в диапазоне длин волн интенсивности излучения зависят только от содержания общей пыли С_п 7,6-8,4 мкм. В диапазоне длин волн 3,0-3,4 мкм интенсивности в основном зависят от содержаний С_п и С_пор C_пс + C_и. В диапазоне длин волн от 4,1 до 4,5 мкм интенсивности зависят от содержания углекислого газа, угольной и породной пыли. В диапазоне длин волн 4,5-4,7 мкм интенсивности в основном зависят от содержания угарного газа, угольной и породной пыли.

Из приведенных на фиг.1 и 2 графиков видно, что в диапазоне длин волн 1,3-1,7 мкм находятся сильные полосы ослабления ИК-излучения влагой, отсутствуют сильные полосы ослабления ИК-излучения дымовыми газами, содержания которых в дыме могут сильно изменяться. В этом диапазоне длин волн коэффициенты ослабления ИК-излучения песчаниковой и известняковой пылью примерно равны между собой и почти в 5 раз отличаются от коэффициента ослабления ИК-излучения угольной пылью. Здесь интенсивности в основном зависят от содержаний влаги, угольной и породной пыли в дыме.

Таким образом диапазоны длин волн 7,6-8,4 мкм и 3,0-3,4 мкм для задач раздельного контроля общего содержания пыли в дыме С_п и контроля содержания угольной пыли в дыме С_у являются оптимальными: в первом диапазоне длин волн обеспечивается высокоточное измерение С_п, а во втором высокоточное измерение С_у С_п С_пор С_п C_пс С_и. Диапазоны длин волн 4,1-4,5 мкм, 4,5-4,7 мкм и 1,3-1,7 мкм являются оптимальными для высокоточного измерения содержаний соответственно углекислого газа С_к, угарного газа С_г и влаги С_в, так как в этих диапазонах длин волн интенсивности зависят соответственно: от углекислого газа, угольной и породной пыли; от угарного газа, угольной и породной пыли; от влаги, угольной и породной пыли.

Из показанных на фиг.3 зависимостей I_п f(C_п) и I_р f₁(C_п) видно, что с ростом С_п первая интенсивность I_п экспоненциально уменьшается. С ростом С_п интенсивность I_р растет в диапазоне изменений С_п от 0 до C_пмакс когда (+ К_рC_пмакс d) 1, т.е. когда C_пмакс (К_рd)^-1.

В этом диапазоне изменений С_п от 0 до C_пмакс (К_рd)^-1 величина отношения интенсивностей η_п [I_oр + σ_п dC_п exр (- K_рdC_п)] [I_oп x x eхр(-K_пdC_п)]^-1 (3) плавно растет с ростом С_п, что и показано на фиг.4 и 5. Видно, что зависимость η_п f₂(C_п) идет более круто, чем зависимости I_п f(C_п) или I_р f₂(C_п). Чтобы оценить выигрыш в увеличении чувствительности отношения S_o к общему содержанию пыли С_п как и к содержанию угольной пыли С_у против соответствующих чувствительностей прошедшего S_п и рассеянного вперед S_р ИК-излучения при регистрации соответственно I_п и I_р оценим сами эти чувствительности.

Относительная чувствительность к С_п (или к С_у) или к любому другому компоненту пыли интенсивности прошедшего ИК-излучения I_п по абсолютному изменению С_п из (I) запишется в виде S_п K_пd=const (4) и не зависит от изменений С_п (или соответственно от С_у, С_г, С_к, С_в).

Относительная чувствительность к С_п интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения I_р по абсолютному изменению содержания С_п или С_у из (2) запишется в виде
(-K_пdC_п)](1-K_рdC_п)[I_ор+
p(-K_уdC_у)](1-K_руdC_у)[I_ору+
(5)
Относительная чувствительность отношения η_п или η_у к С_п или к С_уиз (3) запишется в виде
S_o (∂η_п/∂ С_п) η_п^-1 I_о^-1[I_opK_пdC_п eхр x x(-K_пdС_п) + C_п σ_п d eхр (-K_рdC_п + K_пdC_п)](1-K_рdC_п + К_пdC_п)I_оп eхр (-K_пdC_п) [I_oр + σ_п dC_п x x eхр (- K_рdC_п)] ^-1,
S_oy (∂η_у/∂C_y)η_у^-1= I_oу^-1[I_oруK_уdC_yeхр(-K_уdC_y)+σ_уdC_yeхр (-K_pуdC_y +
K_уdC_у)] (1-K_pydC_y + K_ydC_y) I_oу ехр (-K_ydC_y)[I_opу+σ_уdC_уехр (-K_pуdC_у)] ^-1
(6)
Аналогично (4), (5) и (6) запишутся и относительные чувствительности прошедшего, и рассеянного вперед ИК-излучения или отношения интенсивностей к С_г, С_к или к С_в.

Графики зависимостей S_п|S_p| иS_о| от С_п приведены на фиг.6. Видно, что относительная чувствительность к С_п величины отношения S_o в пределах концентраций 0 < C_п < C_пмакс является наибольшей.

Анализ формулы (3) показывает, что одинаковые относительные изменения интенсивностей I_п и I_р (во сколько бы раз они одновременно не изменялись) не приводят ни к малейшим изменениям отношения η_п. Поэтому величина отношения интенсивностей никак не изменится ни от изменения интенсивностей 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 I_п и I_р.

Зависимость η_п f₂(C_п) по формуле (3) представляет собой трансцендентное уравнение, из которого С_п в явном виде не выражается, что неудобно для измерений, так как придется прибегать к сложным и громоздким методам численного решения уравнения (3) относительно С_п. Как видно из графиков на фиг.4 и фиг.5, зависимость η_п f₂(C_п) по формуле (3) может быть аппроксимирована выражением
η_п а_пС_п² + b_пС_п,
η_у а_уС_у² + b_уС_у а_п'С_п² + b_п'С_п -а_у(С_п-С_пор)² + b_у (С_п-С_пор) а_п'С_п² + b_п'С_п,
η_к а_кС_к² + b_кС_к a_у'С_у² + b_y'C_y
а_порС_пор² + b_порC_пор, С_пор С_п С_у,
η_г а_гС_г² + b_гС_г а_у''С_у² + b''C_у -а_пор'С_пор² + b_пор' С_пор,
η_в а_вС_в² + b_вС_в а_y'''С_у² + b_y'''С_у -а_пор''С_пор² + b_пор''С_пор.

(7) В общем случае зависимости (7) являются квадратичными параболами, имеющими восходящую ветвь, пологий максимум и падающую ветвь. Середина пологого максимума достигается при равенстве нулю производной от отношения по соответствующему содержанию
∂η_п/∂ С_п 2а_пС_п' + b_п 0,
∂η_у/∂ C_у 2а_уС_у'+ b_у 0,
∂η_к/∂ C_к 2а_кС_к' + b_к 0,
∂η_г/∂ С_г 2а_гС_г' + b_г 0,
∂η_в/∂ C_в 2 a_вС_в' b_в 0, (8) что соответствует содержаниям С_п' b_п(2а_п)^-1, С_у' b_у (2а_у)^-1, С_г' b_г (2а_г)^-1, С_к '= b_к(2а_к)^-1, C_в' b_в(2а_в)^-1. Погрешности аппроксимации на рабочем участке не превышают 0,2% от измеряемых содержаний во всем диапазоне их изменений от 0 до 0,9 С_п' (или соответственно 0,9 С_у', 0,9 С_г', 0,9 С_к' или 0,9 С_в'). Поэтому аппроксимирующая кривая считается приемлемой даже по самым строгим критериям.

Из аппроксимирующих уравнений (7) можно получить два значения соответствующего содержания
C_п,1,2=(-2a_п)-b_п±
C_у,1,2=(-2a_y)-b_у ± ,
C_к,1,2=(-2a_к)-b_к± ,
C_г,1,2=(-2a_г)-b_г± ,
C_в,1,2=(-2a_в)-b_в± . (9)
Меньшие из значений С_п1, C_у1, С_г1, С_к1 или С_в1 находятся на рабочих участках парабол (7), а большие значения С_п2, С_у2, С_г2, С_к2 или С_в2находятся на падающих ветвях парабол. Так как b_п>
b_у>
b_к>
b_г>
b_в> то для обеспечения C_п < b_п(2а_п)^-1, С_у < b_у (2а_у)^-1, С_г < b_г (2а_г)^-1 С_к< b_к (2а_к)^-1, С_в < b_в (2а_в)^-1 в формулах (9) перед корнем нужно брать знак (+), а неизвестное содержание соответствующего компонента в дыме определять по однозначным формулам
C_п1=(-2a_п)-b_п+,
C_у1=(-2a_у)-b_у+,
C_к1=(-2a_к)-b_к+
C_г1=(-2a_г)-b_г+
C_в1=(-2a_в)-b_в+. (10)
Для определения значений градуировочных коэффициентов уравнений (7) можно пользоваться любым методом градуировки. Изменение метода градуировки лишь изменит ее трудоемкость, но никак не повлияет на значения коэффициентов. Один из приемлемых методов градуировки описан в книге Онищенко А.М. Оптимизация приборов для контроля состава веществ М. Машиностроение, 1990, с. 18-29, с. 155-156, с. 251-256.

Устройство для автоматического контроля состава отработанных газов, представленное на фиг.7, содержит установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения 1 с коллиматором 2 и фотоприемник 3 с модулятором, представляющим собой обтюратор 4 (модулирующую диафрагму), закрепленный на валу 5 шагового двигателя 6; блок индикации и регистрации 7, пять задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12, измеритель разности 13, три измерителя отношений 14, 15 и 16, последовательно соединенные измеритель разности 17 и измеритель отношений 18.

Устройство снабжено дополнительным фотоприемником 19, вычислительным блоком 20, измерителем отношений 21, тремя измерителями разности 22, 23 и 24, десятью цепями из последовательно соединенных усилителя 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 или 34 и полосового фильтра 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 или 44.

Дополнительный фотоприемник 19 установлен за пределами коллимированного пучка инфракрасного излучения (показан сплошными линиями со стрелками на фиг. 7) за модулятором 4. Оба фотоприемника 3 и 19 выполнены многодиапазонными на длины волн регистрируемого излучения 1,3-1,7 мкм, 3,0-3,4 мкм, 4,1-4,5 мкм, 4,5-4,7 мкм и 7,6-8,4 мкм. Выходы фотоприемников 3 и 19 соединены со входами усилителей 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34. Выходы пяти полосовых фильтров 35, 36, 37, 38 и 39 от выходов дополнительного фотоприемника 19 соединены с первыми входами измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24, ко вторым входам которых подключены выходы задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12. Выходы измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 соединены с первыми входами измерителей 14, 15, 16, 18 и 21, ко вторым входам которых подключены выходы пяти полосовых фильтров 44, 43, 42, 41 и 40 от выходов фотоприемника 3. Выходы пяти измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21 соединены со входами вычислительного блока 20, выход которого соединен со входом блока индикации и регистрации.

Работа устройства для автоматического контроля состава отработанных газов осуществляется следующим образом.

Коллимированный поток ИК-излучения создается источником 1 и коллиматором 2. В качестве источника 1 может быть использована, например, лампа накаливания с германиевым выходным окном, которое просвеpлено на диапазон длин волн 1,3-8,4 мкм. В качестве коллиматора может использоваться пластинка с отверстием, причем пластинка должна быть изготовлена из непрозрачного для диапазона длин волн 1,3-8,4 мкм материала, например из любого металла.

При прохождении через контролируемый объем дымового газа толщиной поток ИК-излучения ослабляется согласно формуле (1). На пяти выходах фотоприемника 3 формируются сигналы, пропорциональные интенсивностям прошедшего инфракрасного излучения согласно формулам 1. Эти сигналы усиливаются усилителями соответственно 30, 31, 32, 33 и 34 и отстраиваются от шумов в полосовых фильтрах 40, 41, 42, 43 и 44, которые настроены на частоту модуляции потока ИК-излучения обтюратором 4.

Поток рассеянного в направлении вперед ИК-излучения также проходит через контролируемый объем шахтной атмосферы (сначала проходят через дым кванты ИК-излучения от источника 1 до соответствующих центров рассеивания, а затем через дым проходят кванты ИК-излучения, которые претерпели хотя бы один акт рассеивания и изменили направление первоначального распространения так, что после рассеивания они идут в направлении дополнительного фотоприемника 19). Интенсивности рассеянного вперед ИК-излучения на дополнительный фотоприемник 19 в соответствующих диапазонах длин волн определяются по аналогичным к (2) формулам. На пяти выходах дополнительного фотоприемника 19 формируются сигналы, пропорциональные интенсивностям рассеянного вперед ИК-излучения согласно формулам (2). Эти сигналы усиливаются соответственно усилителями 25, 26, 27, 28 и 29 и отстраиваются от шумов в полосовых фильтрах 35, 36, 37, 38 и 39, которые настроены на частоту модуляции потока ИК-излучения обтюратором 4. Эти сигналы затем подаются на первые входы измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24. На вторые входы этих измерителей разности от задатчиков 8, 9, 10, 11 и 12 подаются соответственно сигналы, численно равные, интенсивностям рассеянного вперед ИК-излучения при нулевых значениях соответствующих содержаний, т. е. соответственно сигналы I_ор, I_оpу, I_орг, I_оpк и I_орв. На выходах измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 в результате формируются соответственно сигналы:
I_р' σ_п d C_п eхр (-K_pdC_п), I_рв' σ_в dC_вeхр x
x (-K_рвdC_в),
I_pу' σ_у dC_уехр (-K_руdC_у),
I_рк' σ_к dC_к eхр (-K_pкdC_к),
I_pг' σ_г dC_г eхр (-K_р dC_г). (11)
Эти сигналы подаются на первые входы измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21, на вторые входы которых подаются соответственно сигналы I_п, I_у, I_г, I_к и I_в, которые формируются на выходах полосовых фильтров 44, 43, 42, 41 и 40.

В результате на выходах измерителей отношений 14, 15, 16, 18 и 21 формируются соответственно сигналы, похожие на сигналы согласно (3), но отличающиеся от них отсутствием свободных членов в сигналах об интенсивностях рассеянного вперед ИК-излучения, согласно формулам: η_п'=σ_п dC_пeхр (-K_odC_п) [I_oп eхр (-K_пdC_п)] ^-1, η_у'=σ_у dC_уeхр (-K_pуdC_у) [I_oу eхр (-K_уdC_у)^-1, η_к'=σ_к dC_к eхр (-K_ркdC_к)] [I_ок eхр (-K_кdC_к)]^-1, η_г'=σ_г dC_г eхр (-К_ргdC₁)][I_oг eхр (-K_гdC_г)]^-1, η_в'=σ_в dC_в ехр (-K_pвdC_в)][I_oв eхр (-K_вdC_в)]^-1.

(12)
Эти сигналы с измерителей отношений поступают на входы вычислительного блока 20. Вычислительный блок в процессе градуировки устройства заполняют значениями коэффициентов градуировочных парабол согласно уравнениям (7). По пяти поступившим на входы вычислительного блока 20 сигналам и по градуировочным коэффициентам парабол согласно уравнениям (7) вычислительный блок 20 сначала по первому уравнению системы (7) согласно первой формуле системы (10) определяет общее содержание пыли С_п в отработавших газах. После этого аналогично, зная градуировочные коэффициенты и значение С_п, по второй формуле системы уравнений (10) вычислительный блок определяет содержание угольной пыли в отработавших газах С_у. По известным значениям С_п и С_пор C_п C_уC_пс + C_и и известным градуировочным коэффициентам парабол по уравнениям (7) вычислительный блок по третьему, четвертому и пятому уравнениям системы (10) определяет соответственно содержания С_к, С_г и С_в в отработавших газах.

Вычисленные вычислительным блоком 20 значения С_п, С_у, С_г, С_к и С_впоступают в блок 7, где индицируются и регистрируются непосредственно в единицах соответствующих содержаний.

Формирование на выходах измерителей разности 13, 22, 23, 17 и 24 сигналов согласно формулам (11) приводит к тому, что все градуировочные параболы согласно уравнениям (7) начинаются с нуля и являются хорошими аппроксимациями уравнений (12). В результате увеличивается точность измерений содержаний компонентов отработанных газов на краях диапазонов измерения.

П р и м е р реализации устройства. Определяли общее содержание пыли в отработавших газах С_п и содержание угольной пыли С_у в пределах изменения содержаний от 0 до 340 г/м³ со средней квадратической погрешностью не более 0,5% от измеряемого содержания. Содержания угарного и углекислого газов определялось в диапазоне изменений содержаний от 0 до 20% объемных со средней квадратической погрешностью не более 0,6% от измеряемого содержания. Определялась относительная влажность отработавших газов в диапазоне изменений от 0 до 100% со средней квадратической погрешностью не более 0,6% от измеряемой влажности. Столь высокую точность измерений С_п, С_у, С_г, С_к и С_в не обеспечивают известные способы и устройства автоматического непрерывного контроля состава отработавших газов.

Для определения технико-экономической эффективности устройства в качестве базового объекта примем оптико-акустический газоанализатор типа ГОА-4 [3] Основными техническими преимуществами устройства по данному изобретению по сравнению с газоанализатором ГОА-4 являются:
1) расширены функциональные возможности за счет измерения содержаний С_п, С_у, С_в, С_г, 2) уменьшено до нуля влияние изменений интенсивности источника из-за изменений напряжения питания источника (из-за изменения сопротивления нити накала и др. причин), 3) уменьшено до нуля влияние загрязнения окон источника и фотоприемника, 4) уменьшено до нуля влияние температуры отработавших газов (так как любые изменения температуры в одинаковое число раз изменяют интенсивности прошедшего и рассеянного вперед ИК-излучения на любой из пяти длин волн), 5) увеличены чувствительности к измеряемым содержаниям компонентов отработанных газов, 6) снижена стоимость одного измерения компонента, 7) уменьшены погрешности измерений от 10-4% до 0,5-0,6% 8) упрощено устройство за счет исключения термостатирования и продува фотоприемников азотом под давлением.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ, содержащее установленные друг против друга по разные стороны от контролируемого объема газа толщиной d источник инфракрасного излучения с коллиматором и первый фотоприемник с модулятором, установленным на валу, блок индикации и регистрации, первый пятый задатчики, первый вычитатель, первый - третий делители, последовательно соединенные при этом выход первого вычитателя соединен с первым входом первого делителя отношений, отличающееся тем, что оно снабжено вторым фотоприемником, вычислительным блоком, четвертым пятым делителями, вторым четвертым вычитателями и десятью цепями, каждая из которых состоит из последовательно соединенных усилителя и полосового фильтра, причем второй фотоприемник установлен за пределами коллимированнного пучка инфракрасного излучения по другую сторону вала модулятора, каждый фотоприемник выполнен пятидиапазонным на длины волн регистрируемого излучения соответственно на 1,3 1,7, 3,0 3,4, 4,1 4,5, 4,5 4,7 и 7,6 8,4 мкм, при этом первый пятый выходы второго фотоприемника соединены с входами первой пятой цепей соответственно, первый пятый выходы первого фотоприемника соединены с входами шестой десятой цепей также соответственно, выходы первой пятой цепи подключены к первым входам соответственно первого - пятого вычитателей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам первого пятого задатчиков, а выходы второго пятого вычитателей соединены соответственно с первыми входами второго пятого делителей, выходы десятой - шестой цепей подключены к вторым входам соответственно первого пятого делителей, выходы первого пятого делителей соединены соответственно с первым пятым входами вычислительного блока, выход которого соединен с входом блока индикации и регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7