RU2231773C2

RU2231773C2 - Infra-red sensor showing concentration of dust and gaseous agents in pipe line

Info

Publication number: RU2231773C2
Application number: RU2002120173/28A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Ахобадзе (RU); Г.Н. Ахобадзе
Original assignee: Институт проблем управления РАН
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-06-27
Also published as: RU2002120173A

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: proposed sensor includes first radiation source, first radiation receiver placed in pipe line wall opposite first source, second radiation source, second radiation receiver mounted along pipe line opposite second source at distance d which is diameter of pipe line and subtraction unit whose output is used as sensor output.

EFFECT: simplified procedure of avoidance of temperature effect on measurement results.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

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.A known soot emission optical dust meter comprising a light source and a photodetector mounted in a duct in such a way that the alignment condition is met. The output signal of the photodetector through the measuring unit (see. Device for measuring the optical density of flue gases, AS No. 402721, BI No. 42, 1973), which simultaneously performs zero stabilization, is fed to the meter. Here, the density of the measured dust and gas flow is determined by the amplitude of the variable component of the signal.

Недостатком этого устройства следует считать погрешность, связанную со старением источника и фотоприемника и запыленностью их оптических деталей.The disadvantage of this device should be considered the error associated with the aging of the source and the photodetector and the dustiness of their optical parts.

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.The closest technical solution to the proposed one is the optoelectronic dust and gas emission sensor adopted by the author for the prototype (see V.A. Zakharenko, A.G. Shkaev. Collection of materials of the XIII scientific and technical conference "Sensors and converters of information of measurement, control and control systems" , M.: MGIEM, 2001, p. 63), consisting of a radiation source and receiver, radiant flux stabilization circuits and parameters of the radiation receiver, logarithmic and current converters. In the device, the dust concentration in the duct is estimated from the output signal of the logarithmic converter.

Недостатком этого известного датчика является сложность процедуры стабилизации лучистого потока излучения и параметров приемника излучения.The disadvantage of this known sensor is the complexity of the procedure for stabilizing the radiant radiation flux and the parameters of the radiation receiver.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является упрощение процесса компенсирования сигнала, вызванного температурной нестабильностью приемника излучения.The problem solved by the claimed technical solution is to simplify the process of compensating for the signal caused by the temperature instability of the radiation receiver.

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.The problem is solved in that in the infrared sensor of the concentration of dust and gas substances in the pipeline, containing the first radiation source and receiver placed in opposite walls of the pipeline against each other, a subtraction unit is introduced, the second radiation source and receiver mounted along the pipeline at a distance d where d is the diameter of the pipeline, and the output of the first radiation receiver is connected to the first input of the subtraction unit, the output of the second radiation receiver is connected to the second input of the unit in subtracting, the last output is the output of the sensor.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие блока вычитания и смонтированных вдоль трубопровода друг против друга вторых источника и приемника излучения.An essential distinguishing feature in the aforementioned combination is the presence of a subtraction unit and second radiation source and receiver mounted along the pipeline against each other.

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.In the claimed technical solution due to the properties of the totality of the listed features, the determination of the difference of the output signals of the first and second radiation receivers allows us to solve the problem: to simplify the procedure for eliminating the temperature effect on the measurement result.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого датчика.The drawing shows a functional diagram of the inventive sensor.

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.The sensor contains a first radiation source 1, directing the output signal to the first radiation receiver 2, a second radiation source 3, which transmits the dust-free output signal to the second radiation receiver 4, connected by the output to the second input of the subtraction unit 5. In the drawing, the pipe is indicated by the number 6.

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.In the locations of the first source and receiver of radiation for optical communication with a controlled stream and to protect their working surfaces from dust (blowing air), it is necessary to provide sight glasses.

Вторые источник и приемник излучения монтируются на наружной поверхности трубопровода.The second radiation source and receiver are mounted on the outer surface of the pipeline.

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 записатьThe sensor operates as follows. The infrared signal from the first radiation source 1 passes through a pipe 6 with a controlled dust and gas environment and is perceived by the first radiation receiver 2. The output signal of the latter according to Bouguer’s law depends on the intensity of the output radiation of the first source I _o , the thickness of the dust and gas material layer (pipeline diameter d), its coefficient absorption α and dust concentration C. Therefore, for concentration C, we can write

где I - интенсивность излучения после прохождения с пылью.where I is the radiation intensity after passing through dust.

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 иметьAs is known, a radiation receiver (photodiode) has thermal instability, i.e. in this case, the output signal of the first receiver (photodiode) will vary both from C (at α = const) and from the ambient temperature T. As a result, for the output signal of the first receiver U ₁ we will have

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).where U _o is the signal due to the absence of dust and gas substance in the pipeline (gas duct); U _c - signal due to the weakening of the intensity of infrared radiation when it passes through a controlled environment (dustiness); U _t - temperature shift of the signal (positive temperature coefficient of the photodiode).

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 формулойIn the inventive sensor, in order to exclude a temperature error of concentration measurement, it is proposed to use a dust-free signal 4, which is perceiving by the second receiver (photodiode), from the second radiation source 3. In accordance with this, the signal at the output of the second radiation receiver U ₂ can be expressed by the formula

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.A comparison of expressions (I) and (2) shows that when the conditions for the identity of the characteristics (radiation power, wavelength, temperature instability) of the radiation sources and receivers, the distance between them, and the absorption coefficients, the difference between the output signals of the first and second receivers is not dependent from ambient temperature and is only a function of dust concentration. To calculate ΔU - the difference between the signals U ₂ and U ₁ in this sensor, the output signals described by the corresponding formulas (1) and (2) are fed to the corresponding inputs of the subtraction unit 5. From the output of the latter, a signal is generated that can be used to determine the concentration of dust and gas substances without the influence of ambient temperature.

При этом следует отметить, что коэффициент поглощения α находится индивидуально в зависимости от вида и состава измеряемого вещества.It should be noted that the absorption coefficient α is individually depending on the type and composition of the measured substance.

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.So, in the inventive sensor based on two pairs of radiation sources and receivers that simultaneously transmit a signal through a pipeline with a dust-gas medium and directly from the source to the receiver (without dust), it is possible to simplify the procedure for eliminating the influence of ambient temperature on the concentration measurement result.

Claims

An infrared sensor for concentration of dust and gas substances in the pipeline, containing the first radiation source and receiver placed in opposite walls of the pipeline opposite each other, characterized in that a subtraction unit is introduced into it, the second radiation source and receiver mounted along the pipeline opposite to each other at a distance d, where d is the diameter of the pipeline, and the output of the first radiation receiver is connected to the first input of the subtraction unit, the output of the second radiation receiver is connected to the second input of the unit is subtracted The output of the latter is the output of the sensor.