Устройство для измерения концентрации пыли в газовой среде

Устройство для измерения концентрации пыли в газовой среде содержит узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые окна аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, со световой ловушкой, приемный объектив рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, световод со встроенным регулятором потока излучения, оптически сопряженный с вторым фотоприемником, подключенным встречно-параллельно к первому фотоприемнику, систему обработки сигналов с фотоприемников и устройство отображения информации. Кроме того, световая ловушка снабжена сферическим контрзеркалом, установленным соосно с узлом осветителя и имеющим фокусное расстояние в половину расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора. При этом зеркальная отражающая поверхность приемного объектива, установленного соосно с узлом осветителя, выполнена в виде пояса на поверхности круговой бочки, отсеченного двумя плоскостями, перпендикулярными оси бочки и смещенными по отношению к среднему сечению бочки. Технический результат - расширение границ применимости прибора за счет дополнительного ослабления зависимости отклика прибора от изменений фракционного состава среды и повышение чувствительности прибора, в результате чего возможно будет его применение в особо чистых помещениях с предельно малой концентрацией пыли в воздухе или в технологических процессах, где надо нормировать малые концентрации примесей. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям концентрации взвешенных в газовой среде частиц, и может быть использовано в системах экологического мониторинга окружающей среды и контроля пылевых выбросов предприятий химической, фармацевтической, металлургической отраслей промышленности, а также тепловых электростанций.

Известны две группы устройств для измерения концентрации пыли (пылемеров):

- трассовые пылемеры, основанные на измерениях ослабления света, проходящего через пылегазовую смесь;

- нефелометры, основанные на измерениях светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами под каким-либо углом к направлению падающего (зондирующего) света.

Приборы первой группы содержат, как и заявляемое устройство, источник излучения, коллиматор, приемный объектив, фотоприемник, систему обработки информации сигнала фотоприемника и устройство отображения информации (индикатор). Кроме того, эти приборы могут иметь аспирационный канал с побудителем расхода (устройством прокачки исследуемой среды через рабочий (измерительный) объем прибора) или без него.

В приборах первой группы сформированный коллиматором поток излучения проходит через некоторый слой запыленного воздуха или смеси каких-либо газов и поступает на фотоприемник, сигналы от которого усиливаются, преобразуются, например, в цифры и отображаются на индикаторе. О концентрации пыли в пылегазовой среде судят по степени ослабления светового потока, прошедшего через эту среду, так как световой поток ослабляется главным образом за счет его рассеяния и поглощения взвешенными частицами.

Приборы первой группы обладают высоким быстродействием, но имеют, как правило, значительные габариты и высокий порог чувствительности, составляющий обычно несколько мг/м³. Последний ограничивает область применения прибора концентрациями выше указанной. Низкая обнаружительная способность в трассовых измерителях прозрачности связана с тем, что слабо замутненные среды лишь незначительно ослабляют проходящее через них излучение и здесь возникают трудности в регистрации малых различий между прошедшим через слой аэрозоля и падающим на него излучением. Примером устройства такого типа может служить прибор RM41 немецкой фирмы SICK (Erwin Sick GmbH, Optic-Electronic, Postfach 310, D-7808 Waldkirch, фирменный проспект по заказу №8005 101.1285, 1990 г.). Нижний предел измерения концентраций у этого прибора - 5 мг/м³.

Приборы второй группы содержат, как и заявляемое устройство, источник излучения, коллиматор, приемный объектив, направляющий на фотоприемник излучение, рассеянное частицами под некоторым углом к падающему излучению, систему обработки информации сигнала фотоприемника, устройство отображения информации и аспирационный канал с побудителем расхода. В этих приборах на фотоприемник направляется свет, рассеянный некоторым оптически выделенным объемом пылегазовой смеси; о содержании пыли в исследуемой среде судят по интенсивности света, рассеянного ансамблем частиц.

Примером таких приборов может служить нефелометр по а.с. СССР №352245, публ. 21.09.72 г., кл. G 01 W 1/00, G 01 N 21/22 (Н.В.Гончаров, "Нефелометр", Б.И. №28, 1972). Этот прибор содержит узел осветителя с источником излучения и коллиматором, фотоприемник с кольцевым приемным объективом, воспринимающим излучение, рассеянное частицами под некоторым углом к потоку освещения, систему обработки информации сигнала фотоприемника и устройство отображения информации.

Ближайшим аналогом заявляемого устройства, выбираемым в качестве прототипа, представляется похожий на предыдущий пылемер, описанный в статье "Измеритель концентрации пыли (нефелометр)" ("Научно-технические достижения (краткие описания)". Всероссийский НИИ межотраслевой информации, №16, М., 1993, стр.14).

Совпадающими с заявляемым устройством существенными признаками является наличие в этом приборе узла осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанного через световые окна аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, со световой ловушкой, приемного объектива рассеянного под определенным углом излучения анализируемой среды, оптически сопряженного с первым фотоприемником, световода со встроенным регулятором потока излучения, оптически сопряженного со вторым фотоприемником, подключенным встречно-параллельно к первому фотоприемнику, системы обработки сигналов с фотоприемников и устройства отображения информации.

Прибор имеет высокую чувствительность, низкий порог чувствительности и, благодаря использованию угла наблюдения в 45°, сравнительно слабую зависимость отклика от фракционного состава рассеивающих частиц. Однако кольцевой приемный объектив в виде линзы-призмы сложен в изготовлении и заметно удорожает прибор. При измерении излучения, рассеянного под углом 45°, хотя и имеется значительное преимущество перед измерениями под другими углами, указанная зависимость от фракционного состава частиц все же весьма заметна.

Недостатками прототипа (как и недостатками описанного перед ним аналога) являются существенная зависимость отклика прибора от изменений фракционного состава частиц, а также недостаточная чувствительность из-за малости светового потока рассеяния в условиях малой запыленности. Повышение для увеличения чувствительности мощности источника излучения привело бы к перегреву прибора, снижению его надежности. Кроме того, линза-призма приемного объектива сложна в изготовлении и поэтому стоимость ее велика.

Существенными признаками предлагаемого прибора, общими с аналогом, являются наличие узла осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанного через световые окна аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, со световой ловушкой, приемного объектива рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженного с первым фотоприемником, световода со встроенным регулятором потока, оптически сопряженного со вторым фотоприемником, подключенным встречно-параллельно к первому фотоприемнику, системы обработки сигналов с фотоприемников и устройства отображения информации.

Основными задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются:

- расширение границ применимости прибора за счет дополнительного ослабления зависимости отклика прибора от изменений фракционного состава среды;

- повышение чувствительности прибора, в результате чего возможно будет его применение в особо чистых помещениях с предельно малой концентрацией пыли в воздухе или в технологических процессах, где надо нормировать малые концентрации примесей;

- снижение стоимости изготовления приемного объектива прибора путем замены линзы-призмы зеркальным приемным объективом.

Решение этих задач обеспечивается следующей совокупностью признаков: световая ловушка снабжена сферическим контрзеркалом, установленным соосно с узлом осветителя и имеющим фокусное расстояние в половину расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора, зеркальная отражающая поверхность приемного объектива, установленного соосно с узлом осветителя, выполнена в виде пояса на поверхности круговой бочки, отсеченного двумя плоскостями, перпендикулярными оси бочки и смещенными по отношению к среднему сечению бочки.

Структурно-оптическая схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, где изображены: 1 - узел осветителя, 2 - источник излучения, 3 - коллиматор, 4 - первый фотоприемник, 5 - второй фотоприемник, 6 - световод, 7 - регулятор потока излучения, поступающего в фотоприемник 5, 8 - приемный объектив рассеянного излучения анализируемой среды, 9 - аспирационный канал, 10 - окна аспирационного канала, 11 - световая ловушка, 12 - сферическое контрзеркало, 13 - побудитель расхода, 14 - элемент сравнения, 15 - система обработки сигналов с фотоприемников, 16 - устройство отображения информации.

Заявляемое устройство состоит из узла осветителя 1, включающего в себя источник излучения 2 с коллиматором 3, первого фотоприемника 4 (приемника рассеянного света), второго фотоприемника 5 (приемника прямого света), световода 6 от источника излучения 2 ко второму фотоприемнику 5, встроенного в световод 6 регулятора потока излучения 7, приемного объектива рассеянного излучения анализируемой среды 8, аспирационного канала 9 с окнами 10 (первого и второго по ходу лучей от источника излучения 2), световой ловушки 11 со сферическим контрзеркалом 12, побудителя расхода 13, элемента сравнения 14, системы обработки сигналов с фотоприемников 15, устройства отображения информации 16.

На противоположной от узла осветителя 1 стороне аспирационного канала (на днище световой ловушки 11) соосно с узлом осветителя 1 устанавливается сферическое контрзеркало 12 с фокусным расстоянием, равным половине расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора 3. Проходной диаметр узла осветителя 1, световой ловушки 11, окон 10 и световой диаметр контрзеркала 12 обеспечивают полное пропускание и отражение сформированного узлом осветителя 1 пучка излучения. Рабочий объем пылемера (объем, из которого рассеянное аэродисперсной средой излучение достигает фотоприемника 4) ограничен краевыми лучами рассеянного света и пучка излучения, сформированного осветителем 1.

Главные лучи рассеянного средой прямого света, входящие в приемный объектив 8, составляют здесь угол 45° с оптической осью осветителя 1; главные лучи рассеянного средой света, отраженного от контрзеркала 12. составляют 135° с оптической осью осветителя 1. Угловая апертура входного пучка (диапазон углов входа) составляет ±3...5° от главного луча. Фотоприемник 4 располагается на оптической оси системы, а его фоточувствительная поверхность совмещена с вершиной конуса, образованного главными выходными лучами приемного объектива 8.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение из узла осветителя 1, порождаемое источником излучения 2, через коллиматор 3, отверстие в узле осветителя 1 и первое по его ходу окно 10 поступает в аспирационный канал 9, где частично рассеивается аэрозолем в среде, прокачиваемой побудителем расхода 13. На первый фотоприемник 4 через кольцевой зеркальный приемный объектив 8 поступает излучение, рассеянное только под углом наблюдения 45°. Прошедшее через аспирационный канал насквозь излучение через второе по его ходу окно 10 и отверстие в световой ловушке 11 попадает на сферическое контрзеркало 12 и отражается от него. Сферическое контрзеркало 12 устанавливается соосно с узлом осветителя 1 и имеет фокусное расстояние в половину расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора 3. Обратный поток фокусируется в той же точке, что и прямой поток от источника излучения, и, частично рассеиваясь, поступает через приемный объектив 8 под углом наблюдения 135° на первый фотоприемник 4. Оставшаяся часть обратного потока возвращается через первое окно 10 и отверстие узла осветителя 1 в выходной зрачок коллиматора 3. Фон от собственных засветок элементов конструкции, а также температурный и временной дрейф шума компенсируются отбором в световод 6 части потока излучения источника 2, регулируемой по величине регулятором потока излучения 7. Эта часть потока поступает на второй фотоприемник 5. Выходы фотоприемников 4 и 5 включены встречно-параллельно (по дифференциальной схеме) посредством элемента сравнения 14. Разностный сигнал подается в систему обработки сигналов с фотоприемников 15 и затем поступает на устройство отображения информации 16. Опорное напряжение на входящий в систему обработки информации синхронный детектор и модулированное напряжение питания источника излучения должны вырабатываться одним и тем же генератором для обеспечения синхронности.

Для частиц, размер которых больше или сравним с длиной волны падающего на них излучения, индикатриса рассеяния имеет ярко выраженную асимметрию, такую что поток, рассеянный в переднюю полусферу (рассеяние вперед в направлении падающего потока), значительно - в разы - больше потока, рассеянного назад (в заднюю полусферу). Кроме того, эта асимметрия еще и неоднородна (имеет лепестковую структуру, особенно в задней полусфере). Таким образом, в реальных аэрозольных средах поток, рассеянный в направлении 135° к оси падающего пучка, составляет от двух до семи процентов от потока, рассеиваемого в направлении 45°. Но если для потока, рассеянного аэрозольной средой в направлении 45° характерно, что в широком диапазоне размеров частиц справедливо соотношение

i=σ_45°/σ_полн≈const=0,2±0,015,

где σ_45° и σ_полн - коэффициенты рассеяния под углом 45° и полный (в 4π стер.) соответственно, то для направления 135° это соотношение не соблюдается. Другими словами, интенсивность рассеяния под углом 45° слабо зависит от размеров частиц, а интенсивность рассеяния под углом 135° зависит от размеров частиц значительно сильнее. Суммирование потоков, рассеянных под указанными сопряженными углами, приводит к тому, что разброс значений i становится меньше, т.е. уменьшается зависимость показаний прибора от изменений фракционного состава среды. Для реальных аэрозольных сред разброс значений i*=(σ_45°+σ_135°)/σ_полн на 30...50% меньше, чем разброс значений i=σ_45°/σ_полн).

Таким образом, расширение границ применимости прибора за счет дополнительного ослабления зависимости отклика прибора от изменений фракционного состава среды достигается суммированием потоков излучения, рассеянных под сопряженными углами. Из вышеизложенного ясно, что вторая цель (дополнительного повышения чувствительности прибора) в предлагаемой конструкции достигается увеличением светового потока рассеяния за счет увеличения облучения рабочего объема обратным потоком от контрзеркала 12 (световой поток не пропадает в ловушке за аспирационным каналом, как в традиционных схемах, а используется вторично, что позволяет обходиться без увеличения мощности источника излучения, - это приводит к повышению чувствительности без опасности перегрева прибора).

Приемный объектив заявляемого пылемера 8, установленный соосно с узлом осветителя 1 и воспринимающий оба рассеянных под сопряженными углами потока, выполнен в виде зеркала с отражающей поверхностью в форме пояса на поверхности круговой бочки, отсеченного двумя плоскостями, перпендикулярными оси бочки и смещенными по отношению к среднему сечению бочки.

Поверхность круговой бочки получается вращением дуги окружности (образующей) вокруг оси, лежащей с дугой в одной плоскости, не пересекающей ее и параллельной хорде, стягивающей эту дугу (такая поверхность приведена в следующих источниках: И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. Наука, М., 1964, стр.178; Hutte. Справочная книга для инженеров, архитекторов, механиков и студентов. T.1, изд.13, Гостехиздат, М., 1930, стр.192).

Пояс на поверхности бочки определен здесь по аналогии с шаровым поясом (см. Hutte, стр.191).

Выполнение приемного объектива в виде такого металлического зеркала при его сравнительной дешевизне по сравнению с описанной в а.с. СССР №352245 стеклянной линзой-призмой позволяет сохранить все преимущества последней.

Предлагаемое решение оптической системы прибора обеспечивает таким образом двукратное прохождение света через аспирационный канал, в центре которого приемный кольцевой объектив выделяет некоторый (оптимальный с точки зрения меньшей зависимости от фракционного состава) участок "световой трубки".

Устройство для измерения концентрации пыли в газовой среде, содержащее узел осветителя с источником излучения и коллиматором, оптически связанный через световые окна аспирационного канала, имеющего побудитель расхода, со световой ловушкой, приемный объектив рассеянного излучения анализируемой среды, оптически сопряженный с первым фотоприемником, световод со встроенным регулятором потока излучения, оптически сопряженный со вторым фотоприемником, подключенным встречно-параллельно к первому фотоприемнику, систему обработки сигналов с фотоприемников и устройство отображения информации, отличающееся тем, что световая ловушка снабжена сферическим контрзеркалом, установленным соосно с узлом осветителя и имеющим фокусное расстояние в половину расстояния между ним и выходным зрачком коллиматора, при этом зеркальная отражающая поверхность приемного объектива, установленного соосно с узлом осветителя, выполнена в виде пояса на поверхности круговой бочки, отсеченного двумя плоскостями, перпендикулярными оси бочки и смещенными по отношению к среднему сечению бочки.