Устройство для контроля полноты сгорания углеводородов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для контроля полноты сгорания углеводородов в контролируемом объекте, содержащее оптически связываемый с контролируемым объектом фокон, на поверхности входной апертуры которого размещена прозрачная пористая структура с катализатором на ее поверхности, оптически связанный с параллельно установленными оптическим фильтром, выполненным в виде световода, и четырьмя управляемыми оптическими фильтрами,а также датчик, оптически соединенный с указанными фильтрами и светодиодом, подключенным к управляемому генератору накачки, а электрически - со схемой обработки сигнала, содержащей последовательно электрически связанные усилитель электрического сигнала, фильтр высокой частоты, детектор амплитуды и сглаживающий электрический фильтр, при этом выход усилителя электрического сигнала электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с блоком обработки данных, который электрически соединен с управляемыми оптическими фильтрами, сглаживающим электрическим фильтром, генератором накачки и пороговым элементом, электрически связанным с полосовым фильтром и образующим вместе с ним схему выделения сигнала самодиагностики, соединенную с выходом детектора амплитуды. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что прозрачная пористая структура выполнена в виде набора параллельных кварцевых трубок. 11242 1 2008.10.30 Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и управления за процессом горения с анализом качества пламени в широком спектральном диапазоне. Известно устройство детектирования пламени с широкими спектральными характеристиками 1, состоящее из размещенных в корпусе с окошком для наблюдения средств детектирования пламени, выполняющих детектирование в видимом, ближнем ИК-диапазоне и широком ИК-диапазоне, при этом окошко для наблюдения имеет защитное покрытие,полностью окружающее окошко для наблюдения, причем защитное покрытие пропускает излучение в широком спектральном диапазоне. Для данного устройства характерна низкая надежность работы, связанная с возможными отказами электроники детектирования, снижением светопропускания защитного покрытия при его загрязнении сажей, зашлакованностью и т.д. При частичной потере светопропускания ухудшается чувствительность детектирования. Наиболее близким по технической сущности является автоматическое устройство для определения и корректировки полноты сжигания углеводородных смесей и газов 2, состоящее из газоотборного устройства, хроматографической колонки дозатора, связанного с контролируемым объектом, датчика, соединенного со схемой выделения сигнала самодиагностики, состоящей из мостовой схемы, в одну из диагоналей которой подключен источник питания, схемы балансировки нуля моста, делителя напряжения, усилителя электрического сигнала, детектора амплитуды, выход которого подключен к регистрирующему устройству, соединенному с программным устройством, первый из управляющих выходов которого подключен ко входу запоминающего устройства, а второй - к дозатору, при этом мостовая схема выполнена в виде последовательно соединенных двух эталонных сопротивлений, сравнительного и измерительного элементов, а схема балансировки нуля выполнена в виде интегратора, подключенного в цепь обратной связи усилителя электрического сигнала. В описанном устройстве отсутствует возможность полного контролирования всего процесса сгорания углеводородов, так как в газоотборное устройство поступает лишь часть продуктов сгорания. Техническая задача - расширение функциональных возможностей при одновременном повышении надежности за счет определения концентрации СО, СН в контролируемом объекте. Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство для контроля полноты сгорания углеводородов в контролируемом объекте, содержащее оптически связываемый с контролируемым объектом фокон, на поверхности входной апертуры которого размещена прозрачная пористая структура с катализатором на ее поверхности, оптически связанный с параллельно установленными оптическим фильтром, выполненным в виде световода, и четырьмя управляемыми оптическими фильтрами, а также датчик, оптически соединенный с указанными фильтрами и светодиодом, подключенным к управляемому генератору накачки, а электрически - со схемой обработки сигнала, содержащей последовательно электрически связанные усилитель электрического сигнала, фильтр высокой частоты, детектор амплитуды и сглаживающий электрический фильтр, при этом выход усилителя электрического сигнала электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем, соединенным с блоком обработки данных, который электрически соединен с управляемыми оптическими фильтрами, сглаживающим электрическим фильтром, генератором накачки и пороговым элементом, электрически связанным с полосовым фильтром и образующим вместе с ним схему выделения сигнала самодиагностики, соединенную с выходом детектора амплитуды. Эффективное решение поставленной технической задачи достигается тем, что прозрачная пористая структура выполнена в виде набора параллельных кварцевых трубок. Совокупность признаков позволяет исключить изменение прозрачности входной апертуры устройства (происходящее из-за осаждения не полностью сгоревших углеводородов 2 11242 1 2008.10.30 сажи и т.д.) во всех спектральных диапазонах и дополнить абсолютные измерения интенсивности ИК-излучения в одном участке спектра относительными измерениями еще в четырех узких спектральных полосах. Сущность изобретения поясняется на фигуре, где 1 - контролируемый объект,2 - прозрачная пористая структура с катализатором на поверхности,3 - фокон,4 - первый-четвертый управляемые оптические фильтры,5 - оптический фильтр,6 - датчик,7 - светодиод,8 - усилитель электрического сигнала,9 - фильтр высокой частоты,10 - детектор амплитуды,11 - сглаживающий электрический фильтр,12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),13 - блок обработки данных,14 - полосовой фильтр,15 - пороговый элемент,16 - управляемый генератор накачки,17 - схема обработки сигнала,18 - схема выделения сигнала самодиагностики. В заявленном устройстве контролируемый объект 1 оптически связан через прозрачную пористую структуру с катализатором на поверхности 2 и фоконом 3, который параллельно оптически связан с оптическим фильтром 5 и первым-четвертым управляемыми оптическими фильтрами 4. Оптический фильтр 5 и первый-четвертый управляемые оптические фильтры 4 оптически связаны с датчиком 6, который электрически последовательно связан с усилителем электрического сигнала 8, фильтром высокой частоты 9, детектором амплитуды 10, сглаживающим электрическим фильтром 11, блоком обработки данных(БОД) 13, который подключен к электрическим входам первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4, аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 12, пороговому элементу 15, управляемому генератору накачки 16. Усилитель электрического сигнала 8 электрически соединен с АЦП 12. Детектор амплитуды 10 подключен к полосовому фильтру 14, который электрически соединен с пороговым элементом 15. Управляемый генератор накачки 16 подключен к светодиоду 7, который оптически связан с датчиком 6. В конкретном исполнении контролируемый объект 1 - это пламя огнетехнической установки, как в 2. Прозрачная пористая структура с катализатором на поверхности 2 - это набор параллельно расположенных кварцевых трубок, на поверхностях которых тонким слоем нанесен катализатор, например, 25, как в 3. Фокон 3 - стандартное изделие,имеющее выходную апертуру, согласованную по размерам с входным окном датчика 6,представляющим собой ИК-преобразователь, например БП-9 М. Оптический фильтр 5 выполнен изоптического стекла. Оптический фильтр 5 обладает световедущими свойствами,для чего на его боковых поверхностях нанесен слой диэлектрического материала (например, полимера) с показателем преломления, меньшим показателя преломленияоптического стекла. Первый-четвертый управляемые оптические фильтры 4 - это расположенные на пластине из полупроводникового материала резонаторы Фабри-Перо, зеркала которых представляют собой слоистые структуры кремний/окись кремния, с нанесенными вакуумным распылением металлическими электродами для управления промежутком между зеркалами, как в 4. Светодиод 7 - это стандартное изделие ЗЛ 130 А, закрепленное на радиаторе с площадью 100 см 2. Усилитель электрического сигнала 8 содержит операционный усилитель 140 УД 8 А, включенный по стандартной схеме. Фильтр высокой частоты 9 это электронная схема, состоящая из операционного усилителя 140 УД 8 А, на входе которого 3 11242 1 2008.10.30 собран -фильтр высокой частоты. Детектор амплитуды 10 собран на основе микросхемы компаратора К 554 СА 2. Сглаживающий электрический фильтр 11 - это электронная схема, содержащая операционный усилитель 140 УД 8 А с частотно-зависимой обратной связью. Аналого-цифровой преобразователь 12 выполнен на основе микросхемы КР 1107 ПВ 2. Блок обработки данных (БОД) 13 выполнен на основе микропроцессорной элементной базы. Полосовой фильтр 14 - это электронная схема, состоящая из операционного усилителя 140 УД 8 А с полосовым фильтром на входе. Пороговый элемент 15 выполнен на основе микросхемы компаратора К 554 СА 2. Управляемый генератор накачки 16 состоит из маломощного генератора (микросхема КР 127 ГФ 1 А) с транзисторным каскадом на выходе. Работа устройства осуществляется следующим образом. 1. Режим самодиагностики. От контролируемого объекта 1 (например, факела горения огнетехнической установки) пульсирующее излучение сложного спектрального состава поступает через прозрачную пористую структуру с катализатором на поверхности 2 во входную апертуру фокона 3. Благодаря катализатору, расположенному на поверхности прозрачной пористой структуры 2, осуществляется полное сгорание остатков углеводородов исходного пламени (СО, СН) контролируемого объекта 1, что предотвращает образование сажи на оптическом входе устройства и входной апертуре фокона 3. С выхода фокона 3 сконцентрированное излучение, прошедшее параллельно через оптический фильтр 5 и первый-четвертый управляемые оптические фильтры 4, поступает на вход датчика 6, где преобразуется в соответствующий электрический сигнал, который через последовательно электрически соединенные усилитель электрического сигнала 8, фильтр высокой частоты 9,детектор амплитуды 10 и сглаживающий электрический фильтр 11 поступает в блок обработки данных 13. В этот момент времени запускается подпрограмма самодиагностики, в результате работы которой блок обработки данных 13 вырабатывает перепад напряжения,по которому запускается управляемый генератор накачки 16 и его электрические сигналы поступают на светодиод 7. Светодиод 7 начинает генерировать импульсы светового излучения на длине волны 0,95 мкм с частотой порядка 2000 Гц, которые поступают также на датчик 6. Поэтому, начиная с данного момента времени, в выходном электрическом сигнале датчика 6 будет содержаться еще переменная составляющая на частоте 2000 Гц,которая с выхода детектора амплитуды 10 подается на вход полосового фильтра 14, выделяется в нем и затем поступает на вход порогового элемента 15, выходное напряжение которого подается в блок обработки данных 13. Если на выходе порогового элемента 15 присутствует напряжение, превышающее заданный уровень (например, логический 0),это означает, что все электронные компоненты устройства функционируют нормально, и в блоке обработки данных 13 запускается подпрограмма анализа пульсаций пламени факела контролируемого объекта 1. 2. Режим контроля пламени факела контролируемого объекта 1 (т.е. анализа пульсаций пламени факела). По подпрограмме анализа пульсаций пламени контролируемого объекта 1 из блока обработки данных 13 в управляемый генератор накачки 16 поступает сигнал,прекращающий подачу электрических импульсов на светодиод 7. После чего, как и в предыдущем режиме, излучение пламени контролируемого объекта 1, прошедшее параллельно через оптический фильтр 5 и первый-четвертый управляемые оптические фильтры 4,поступает на датчик 6. При наличии пульсаций пламени от контролируемого объекта 1 в спектре излучении должны содержаться среднечастотные (300 Гц) пульсации, которые с выхода датчика 6 усиливаются в усилителе электрического сигнала 8, проходят через фильтр высокой частоты 9 и детектор амплитуды 10. Если на выходе сглаживающего электрического фильтра 11 появляется перепад напряжения, превышающий заданный уровень (например, логический 0), то в блоке обработки данных 13 он интерпретируется как наличие пульсаций пламени в контролируемом объекте 1. Это означает, что контролируемый объект 1 работает в штатном режиме, т.е. пламя не погасло. 3. Режим контроля качества сгорания углеводородов в контролируемом объекте 1. В случае наличия пламени факела контролируемого объекта 1 запускается подпрограмма 4 11242 1 2008.10.30 контроля качества (полноты) сгорания углеводородов, и в блоке обработки данных 13 формируются электрические сигналы сканирования в режиме разделения времени, которые поочередно подаются на входные электроды первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4. Каждый из сканирующих сигналов в соответствующий момент времени открывает один из набора первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4, и излучение, соответствующее выбранному оптическому фильтру, из набора первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4 поступает на датчик 6. Если во время сканирования всех спектральных полос пропускания первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4 в пламени факела контролируемого объекта 1 имеются продукты неполного сгорания - СО и СН, то они поглощают излучение в соответствующей полосе ИК-диапазона. В результате в выходном электрическом сигнале датчика 6 на огибающей сканируемой полосы спектра будет присутствовать экстремум (минимум). По анализу выходных сигналов первого и второго из управляемых оптических фильтров 4 определяют наличие СО (т.е. полноту сгорания СО), а третьего и четвертого - наличие СН (т.е. полноту сгорания СН). Таким образом, все оптические сигналы с выходов первого-четвертого оптических управляемых фильтров 4 в разные моменты времени поступают на датчик 6, электрический сигнал которого усиливается в усилителе электрического сигнала 8 и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12 и фильтра высокой частоты 9, где выделяется среднечастотная составляющая указанного сигнала (300 Гц) и поступает на вход детектора амплитуды 10. Выходной сигнал детектора амплитуды 10 поступает на вход сглаживающего электрического фильтра 11 и полосового фильтра 14. Полосовой фильтр 14 не пропускает сигнал указанной частоты. Выходной сигнал сглаживающего электрического фильтра 11, несущий информацию о среднечастотных флуктуациях высокотемпературной части пламени контролируемого объекта 1, поступает в блок обработки данных 13, где анализируется вместе с потоком цифровых данных, поступающим по параллельной шине с выхода аналого-цифрового преобразователя 12. Если в тот временной интервал когда при изменении соответствующего сканирующего напряжения на входе одного из управляемых оптических фильтров 4 в потоке цифровых данных на выходе аналого-цифрового преобразователя 12 появляется экстремум, это означает, что в пламени контролируемого объекта 1 имеются не полностью сгоревшие компоненты - СО или СН. Количественная оценка сгорания углеводородов в контролируемом объекте 1 может оцениваться и по амплитудному значению сигнала в точке экстремума. Интенсивность пламени горения факела контролируемого объекта 1 оценивается по амплитуде сигнала на выходе сглаживающего электрического фильтра 11. Превышение указанным сигналом заданного уровня (определяется экспериментально для каждого контролируемого объекта при настройке устройства) интерпретируется как штатный процесс горения в контролируемом объекте 1. Наличие экстремумов на выходах сигналов первого-четвертого управляемых оптических фильтров 4 свидетельствует о нарушении процесса горения (попадание в пламя водяного пара, воды или отсутствие необходимого количества кислорода и т.д.), что в конечном счете может привести к аварийной ситуации. Источники информации 1. Патент США 5773828. 2. Патент России 1046662. 3. Вейхерт С., Урбанск А. Пористая структура катализаторов и процессы переноса в гетерогенном катализе / Под ред. Г.К.Борескова. - Новосибирск Наука, 1970. - С. 217-226. 4. Патент США 7163872. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5