RU2044305C1

RU2044305C1 - Fume meter of exhaust of diesel engines

Info

Publication number: RU2044305C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Дунаев; Э.Б. Лызлов; А.Т. Черепанов
Original assignee: Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод"
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: fume meter includes sample-taking tube, diffuser with two holes for suction of atmospheric air, measurement chamber composed of two compartments with three holes made in upper and lower walls of measurement compartment and two windows made in opposite walls of checking compartment, temperature- sensitive element, amplifier, multiplexer, analog-to-digital converter, demultiplexer, control unit, radiation source, forming optical system, optical commutator with drive, three inclined mirrors, protective glass, flat mirror, interference filter, receiving optical system and photodetector with preamplifier. EFFECT: enhanced authenticity of measurements. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в автохозяйствах для определения правильности регулировки системы питания автомобилей с дизельными двигателями по оптической плотности отработавших газов. The invention relates to measuring equipment and can be used in the fleet to determine the correct adjustment of the power system of cars with diesel engines according to the optical density of the exhaust gases.

Известен дымомер, содеpжащий источник света, измерительный и контрольный фотоприемники, две камеры, разделенные дымоходом и снабженные смотровыми окнами и трубками для прохода света к контрольному фотоприемнику, воздухоподводящую трубку, соединяющую камеры между собой и расположенную между источником света и контрольным фотоприемником, при этом выходы фотоприемников подключены к соответствующим входам блока сравнения, выходными сигналами которого запускаются сигнализаторы, первый из которых информирует о превышении установленной плотности дыма, а второй сигнализатор о недопустимом загрязнении смотровых окон. A known smoke meter containing a light source, a measuring and control photodetector, two cameras separated by a chimney and equipped with inspection windows and tubes for the passage of light to the control photodetector, an air supply pipe connecting the cameras to each other and located between the light source and the control photodetector, while the outputs of the photodetectors connected to the corresponding inputs of the comparison unit, the output signals of which are triggered by signaling devices, the first of which informs that the established lotnosti smoke, and the second switch inappropriate dirty viewing windows.

Недостатком этого дымомера является ухудшение его точности из-за разброса характеристик применяемых фотоприемников. The disadvantage of this smoke meter is the deterioration of its accuracy due to the dispersion of the characteristics of the used photodetectors.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является измеритель дымности, который содержит измерительную камеру, сопряженную с помощью диффузора с пробоотборной трубой, источник излучения и фотоприемник, расположенные на одной стороне измерительной камеры, и зеркало, расположенное на ее противоположной стороне. Closest to the proposed device is a smoke meter, which contains a measuring chamber interfaced with a diffuser with a sampling pipe, a radiation source and a photodetector located on one side of the measuring chamber, and a mirror located on its opposite side.

Недостатком данного измерителя является ухудшение точности с течением времени из-за загрязнений светопропускающих поверхностей камеры. The disadvantage of this meter is the deterioration of accuracy over time due to contamination of the light-transmitting surfaces of the camera.

На чертеже приведена схема устройства. The drawing shows a diagram of the device.

Работа предложенного устройства заключается в следующем. The operation of the proposed device is as follows.

Перед началом измерения дымности пробоотборную трубу 1 подсоединяют к выхлопной трубе дизеля. Отработавшие газы по пробоотборной трубе 1 направляются в диффузор 2, а затем в измерительный отсек 3 камеры 4. Температура газов в измерительном отсеке 3 камеры 4 контролируется датчиком температуры 5. Электрический сигнал, пропорциональный температуре газов в камере, усиливается в усилителе 6 и подается на первый информационный вход мультиплексора 7. В этом режиме мультиплексор 7 обеспечивает передачу сигнала, сформированного датчиком температуры 5, на вход аналого-цифрового преобразователя 8. Цифровой код, выработанный преобразователем 8, с помощью демультиплексора 9 подается на первый вход микропроцессора 10, В микропроцессоре этот цифровой код проходит через соответствующий регистр памяти и поступает в блок 11 индикации для отображения на его экране температуры газов в камере. Как только температура газов будет лежать в диапазоне, необходимом для измерения дымности, оператор с помощью блока 12 управления задает команду в микропроцессор 10, по которой осуществляется формирование управляющих сигналов, а цифровой код, пропорциональный температуре газов, запоминается в соответствующем регистре памяти. Один из управляющих сигналов, выработанных в микропроцессоре 10, обеспечивает переключение мультиплексора 7, второй переключение демультиплексора 9. Before starting the measurement of smoke, the sampling pipe 1 is connected to the exhaust pipe of the diesel engine. The exhaust gases through the sampling pipe 1 are sent to the diffuser 2, and then to the measuring compartment 3 of the chamber 4. The temperature of the gases in the measuring compartment 3 of the chamber 4 is controlled by a temperature sensor 5. An electrical signal proportional to the temperature of the gases in the chamber is amplified in the amplifier 6 and fed to the first information input of the multiplexer 7. In this mode, the multiplexer 7 transmits a signal generated by the temperature sensor 5 to the input of the analog-to-digital converter 8. The digital code generated by the converter 8, using a demultiplexer 9, it is fed to the first input of the microprocessor 10. In the microprocessor, this digital code passes through the corresponding memory register and enters the display unit 11 to display the temperature of the gases in the chamber on its screen. As soon as the gas temperature lies in the range necessary for measuring smoke, the operator, using the control unit 12, sets a command to the microprocessor 10, by which the control signals are generated, and a digital code proportional to the gas temperature is stored in the corresponding memory register. One of the control signals generated in the microprocessor 10 provides switching of the multiplexer 7, the second switching of the demultiplexer 9.

В этом режиме работы световое излучение источника 13, сформированное оптической системой 14, подается на оптический коммутатор 15. Оптический коммутатор 15 может быть выполнен, например в виде управляемого зеркала, которое под воздействием управляющего сигнала, подаваемого на вход привода 16, например электромагнитного, разворачивается от исходного положения на угол 90^о. В рассматриваемом режиме оптический коммутатор 15 занимает исходное положение и направляет излучение в контрольный отсек 17 камеры 4 через наклонное зеркало 18 и защитное стекло 19 для просвечивания в нем через окно 20 атмосферного воздуха. Пройдя через окно в верхней стенке контрольного отсека 17 камеры 4, излучение отражается от зеркала 21, просвечивает в обратном направлении атмосферный воздух этого отсека и через защитное стекло 19 направляется на наклонное зеркало 22, отражается от него и, пройдя интерференционный фильтр 23, с помощью приемной оптической системы 24 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 25. В рассматриваемом случае световое излучение не имеет контакта с отработавшими газами. Поэтому это излучение является контрольным, а его поток, принимаемый фотоприемником 25, пропорционален пропусканию оптического тракта.In this mode of operation, the light radiation of the source 13 generated by the optical system 14 is supplied to the optical switch 15. The optical switch 15 can be made, for example, in the form of a controlled mirror, which, under the influence of a control signal supplied to the input of the drive 16, for example, electromagnetic, is deployed from starting position at an angle of 90 ^about . In this mode, the optical switch 15 takes its initial position and directs the radiation into the control compartment 17 of the chamber 4 through an inclined mirror 18 and a protective glass 19 for transmission through the window 20 of atmospheric air. After passing through a window in the upper wall of the control compartment 17 of the chamber 4, the radiation is reflected from the mirror 21, transmits in the opposite direction the atmospheric air of this compartment and is directed through the protective glass 19 to the inclined mirror 22, is reflected from it and, passing the interference filter 23, using the receiving optical system 24 focuses on the sensitive area of the photodetector 25. In this case, the light radiation does not have contact with the exhaust gases. Therefore, this radiation is the control, and its flux received by the photodetector 25 is proportional to the transmission of the optical path.

Если известны спектральная сила i_λ излучения источника 13, коэффициент η пропускания оптического тракта, относительные спектральные характеристики S_λф и S_λфи интерференционного фильтра 23 и фотоприемника 25, то амплитуда U_к контрольного сигнала на выходе фотоприемника будет равна
U_к ε_oηω₁ I_o (1) где I_o

i_λS

S

dλ сила излучения в спектральном диапазоне [λ₁,λ₂] работы прибора;
ε_o интегральная чувствительность фотоприемника;
ω₁ угол охвата формирующей оптической системы в стерадианах.If the spectral strength i _{λ of the} radiation from the source 13, the transmittance η of the optical path, the relative spectral characteristics S _λph and _{Sλph of the} interference filter 23 and the photodetector 25 are _known , then the amplitude U _{to the} control signal at the output of the photodetector will be equal to
U _to ε _o ηω ₁ I _o (1) where I _o

i _λ S

S

dλ radiation power in the spectral range [λ ₁ , λ ₂ ] of the operation of the device;
ε _{o the} integrated sensitivity of the photodetector;
ω ₁ angle of coverage of the forming optical system in steradians.

Выходной сигнал фотоприемника 25 подается на предусилитель 26, а затем после усиления на второй информационный вход мультиплексора 7. На этот раз мультиплексор 7 под воздействием управляющего сигнала, выработанного в микропроцессоре 10, подает усиленный сигнал фотоприемника на аналого-цифровой преобразователь 8 для преобразования его амплитуды в цифровой код. Цифровой код, пропорциональный амплитуде U_к контрольного сигнала, поступает далее на соответствующий информационный вход демультиплексора 9, который передает этот код в микропроцессор 10, где и запоминается в соответствующих ячейках памяти.The output signal of the photodetector 25 is supplied to the preamplifier 26, and then after amplification to the second information input of the multiplexer 7. This time, the multiplexer 7, under the influence of a control signal generated in the microprocessor 10, supplies the amplified signal of the photodetector to the analog-to-digital converter 8 to convert its amplitude to digital code. A digital code proportional to the amplitude U of _the control signal is then fed to the corresponding information input of the demultiplexer 9, which transfers this code to the microprocessor 10, where it is stored in the corresponding memory cells.

Затем оператор через блок 12 управления задает команду "измерение" в микропроцессор 10. По этой команде в микропроцессоре 10 вырабатываются соответствующие сигналы, по которым осуществляется переключение оптического коммутатора 15 и демультиплексора 9. В этом режиме световое излучение источника 13, в качестве которого может быть использована лампа, формирующей оптической системой 14 преобразуется в параллельный пучок и поступает на оптический коммутатор 15. В этом режиме оптический коммутатор 15 направляет излучение в измерительные отсек 3 камеры 4 через наклонное зеркало 27, защитное стекло 19 и отверстие 28 в нижней стенке 29 этого отсека для просвечивания в нем отработавших газов. Далее это излучение через отверстие 30 в верхней стенке 31 измерительного отсека 3 камеры 4 направляется на зеркало 21, отражается от него в направлении отверстия 30, проходит через него, просвечивает отработавшие газы и через отверстие 32 в нижней стенке 29 измерительного отсека 3 камеры 4 и защитное стекло 19 попадает на наклонное зеркало 22, отражается от него и, пройдя интерференционный фильтр 23, с помощью приемной оптической системы 24 фокусируется на чувствительной площадке фотоприемника 25. Так как дымность отработанных газов должна измеряться в видимой области спектра, спектральная характеристика оптического тракта формируется аналогичной кривой чувствительности глаза с помощью спектральных характеристик интерференционного фильтра и фотоприемника. Then the operator through the control unit 12 sets the “measurement” command to the microprocessor 10. By this command, the corresponding signals are generated in the microprocessor 10, by which the optical switch 15 and the demultiplexer 9 are switched. In this mode, the light radiation of the source 13, which can be used as the lamp forming the optical system 14 is converted into a parallel beam and fed to the optical switch 15. In this mode, the optical switch 15 directs the radiation into the measuring compartment 3 ka EASURES 4 via an oblique mirror 27, the protective glass 19 and an opening 28 in the bottom wall 29 of the compartment radiographic therein exhaust gases. Further, this radiation through the hole 30 in the upper wall 31 of the measuring compartment 3 of the chamber 4 is directed to the mirror 21, reflected from it in the direction of the hole 30, passes through it, transmits exhaust gases and through the hole 32 in the lower wall 29 of the measuring compartment 3 of the chamber 4 and the protective the glass 19 falls onto an inclined mirror 22, is reflected from it and, having passed the interference filter 23, with the aid of the receiving optical system 24 is focused on the sensitive area of the photodetector 25. Since the fumes of the exhaust gases must be measured in the visible region of the spectrum, the spectral characteristic of a similar optical path is formed by the eye sensitivity curve using the spectral characteristics of the interference filter and a photodetector.

По аналогии с выражением (1) амплитуда U_из измерительного сигнала на выходе фотоприемника 25 может быть определена по формуле
U_из ε_oηω₁ I_o (1 K_э) (2)
Выходной сигнал фотоприемника 25 после усиления в предусилителе 26 через мультиплексор 7 подается на аналого-цифровой преобразователь 8, где преобразуется в цифровой код, пропорциональный амплитуде U_изизмерительного сигнала. Выработанный цифровой код через демультиплексор 9 подается на соответствующий вход микропроцессора 10. В микропроцессоре 10 для данной температуры Т_о отработавших газов вычисление дымности осуществляется в соответствии с выражением
K_до= (U_к U_из)/U_к (3)
Справедливость формулы (3) вытекает из равенств (1) и (2).By analogy with expression (1), the amplitude U _{of the} measuring signal at the output of the photodetector 25 can be determined by the formula
U _of ε _o ηω ₁ I _o (1 K _e ) (2)
The output signal of the photodetector 25 after amplification in the preamplifier 26 through the multiplexer 7 is fed to an analog-to-digital Converter 8, where it is converted into a digital code proportional to the amplitude U _{of the} measuring signal. The generated digital code through the demultiplexer 9 is fed to the corresponding input of the microprocessor 10. In the microprocessor 10 for a given temperature T _{about the} exhaust gases, the calculation of smoke is carried out in accordance with the expression
K _to = (U _to U _out ) / U _to (3)
The validity of formula (3) follows from equalities (1) and (2).

Так как дымность отработавших газов зависит от фотометрической базы и температуры, в микропроцессоре 10 осуществляется пересчет полученных показаний дымности. Since the exhaust smoke depends on the photometric base and temperature, the microprocessor 10 recalculates the obtained smoke readings.

Если дымность К_до измерена при температуре Т_о, то для температуры Т она будет равна
К_д К_д ˙К_т, (4) где К_т (273 + Т)/(273 + Т_о) поправочный температурный коэффициент.If K _to opacity measured at a temperature T _o, the temperature T is equal to
K _d K _d ˙K _t , (4) where K _t (273 + T) / (273 + T _о ) is the correction temperature coefficient.

Дымность К_д связана с фотометрической базой l и коэффициентом поглощения α следующим равенством:
К_д exp (-α l) (5)
Если при фотометрической базе l дымность К_д измеряется с точностью l < l_тр, то, как это следует из формулы (5), дымность К_дтр при требуемой фотометрической базе l_тр будет равна
K_дтр K_д ^lтр^/l (1 ± δ)^lтр/l (6)
Из полученного выражения (6) следует, что, если используется в приборе фотометрическая база l < l_тр, то при пересчете результата измерения на требуемую фотометрическую базу l_тр ошибка измерения увеличивается в l_тр/l раз. Таким образом, при прочих равных условиях точность измерения тем выше, чем меньше фотометрическая база l отличается от требуемой. Поэтому в предложенном устройстве величина фотометрической базы выбрана равной требуемой, а за счет использования отражающего зеркала 21 удается уменьшить габаритные размеры прибора и его массу.Smoke K _d associated with the photometric base l and the absorption coefficient α by the following equality:
K _d exp (-α l) (5)
If at a photometric base l smokiness K _d is measured with an accuracy l <l _tr , then, as follows from formula (5), the smokiness K _dtr at the required photometric base l _tr will be equal to
_TDR K K _d ^l mp ^{/ l} (1 ± δ) ^l mp / l (6)
From the obtained expression (6) it follows that if a photometric base l <l _{tr is} used in the device, then when recalculating the measurement result to the required photometric base l _tr , the measurement error increases by l _tr / l times. Thus, ceteris paribus, the measurement accuracy is higher, the smaller the photometric base l differs from the required one. Therefore, in the proposed device, the value of the photometric base is chosen equal to the required, and due to the use of reflecting mirror 21, it is possible to reduce the overall dimensions of the device and its mass.

В микропроцессоре 10 с помощью формулы (4) осуществляется приведение показаний прибора к заданной температуре Т. Полученный результат подается в блок 11 для индикации показаний дымности. In the microprocessor 10, using the formula (4), the readings of the device are brought to a predetermined temperature T. The result is fed to block 11 to indicate smoke readings.

Использование в приборе требуемого значения фотометрической базы и поправочного температурного коэффициента позволяет значительно повысить точность измерения дымности. The use of the required value of the photometric base and the correction temperature coefficient in the device can significantly improve the accuracy of measuring smoke.

Если бы в устройстве использовались два фотоприемника для приема контрольного и измерительного потоков соответственно, потребовалось бы использовать и два интерференционных фильтра. Все это вместе взятое привело бы к удорожанию прибора, а также к возникновению дополнительной ошибки из-за разброса параметров фотоприемников и интерференционных фильтров. При использовании же одного фотоприемника технологические, температурные и другие дестабилизирующие факторы не вносят ошибок в измерение дымности. If two photodetectors were used in the device to receive the control and measuring flows, respectively, it would be necessary to use two interference filters. All this taken together would lead to an increase in the cost of the device, as well as to the appearance of an additional error due to the scatter in the parameters of photodetectors and interference filters. When using a single photodetector, technological, temperature and other destabilizing factors do not introduce errors into the measurement of smoke.

Для защиты оптических элементов 19 и 21 от загрязнений в устройстве формируются два воздушных потока, первый из которых проходит через отверстия 28 и 32, а второй через отверстие 30. Центры этих отверстий должны лежать в плоскости, перпендикулярной потоку отработавших газов. Формирование воздушных потоков происходит следующим образом. Отработавшие газы, прошедшие пробоотборную трубу 1, за счет высокой скорости и мгновенного расширения в диффузоре 2 создают разрежение у отверстий 28, 30 и 32, а следовательно, и у отверстий 33 и 34. Через отверстия 33 и 34 осуществляется подсос атмосферного воздуха и формирование двух воздушных потоков, которые через отверстия 28, 32 и 30 смешиваются с потоком отработавших газов, препятствуя попаданию сажи на защитное стекло 19 и зеркало 21. To protect the optical elements 19 and 21 from contamination, two air streams are formed in the device, the first of which passes through holes 28 and 32, and the second through hole 30. The centers of these holes should lie in a plane perpendicular to the exhaust gas stream. The formation of air flows is as follows. The exhaust gases passing the sampling pipe 1, due to the high speed and instant expansion in the diffuser 2, create a vacuum at the holes 28, 30 and 32, and therefore at the holes 33 and 34. Through holes 33 and 34, air is sucked in and two air flows that through the openings 28, 32 and 30 are mixed with the exhaust gas flow, preventing soot from entering the protective glass 19 and the mirror 21.

Анализ предложенного устройства показывает, что его применение позволяет; повысить точность измерения дымности; уменьшить габариты и массу прибора; исключить влияние нестабильностей параметров фотоприемника на результаты измерения; обеспечить защиту оптических элементов от загрязнений. Analysis of the proposed device shows that its use allows; increase the accuracy of measuring smoke; reduce the dimensions and weight of the device; exclude the influence of instabilities of the parameters of the photodetector on the measurement results; protect optical elements from contamination.

Claims

FUEL EXHAUST GAS DIGITAL METER, comprising a camera paired with a sampling pipe through a diffuser, a radiation source and a photodetector located on one side of the camera, and a flat mirror located on its opposite side, the photodetector connected to a photo-recording circuit, characterized in that It introduced an optical switch with a drive for forming a measuring optical path and a control optical path, a temperature sensor with an amplifier, and the camera is divided into two compartments, about the line of which is measuring, the other is control, while the measuring compartment of the camera is connected to the sampling pipe, the temperature sensor is installed in the measuring compartment of the camera, the measuring optical path includes optically coupled to the first inclined mirror, which in turn is optically coupled to the optical switch, protective glass, installed in the camera body, the first aperture, the second aperture, a flat mirror, the third aperture and the second inclined mirror, optically paired with a photodetector, control the optical path includes an optically conjugated third oblique mirror, which in turn is optically paired with an optical switch, a protective glass installed in the camera body, a flat mirror and a second oblique mirror optically paired with a photodetector, the first and third diaphragms are made in the form of holes in the first the wall relative to the radiation source of the measuring compartment of the camera, the second diaphragm in the form of a hole in the second wall relative to the radiation source of the measuring compartment of the camera, in the walls of the diff patterns are made for suction of atmospheric air, and the photo-recording circuit contains a series-connected multiplexer, analog-to-digital converter, demultiplexer and microprocessor, the control input of which is connected to the output of the control unit, the first output to the input of the display unit, the second output to the optical switch drive, the third output to the control input of the demultiplexer, the fourth output to the control input of the multiplexer, the first information input of which is connected to the output of the amplifier, and the second information nny input via a preamplifier with the output of the photodetector.