Способ измерения дымности выхлопных газов и устройство для его осуществления

(51)01 21/53, 21/15 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЫМНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Кугейко Михаил Михайлович Фираго Владимир Александрович Дрозд Сергей Николаевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ измерения дымности выхлопных газов, включающий посылку зондирующего оптического излучения двух источников через струю выхлопных газов в двух направлениях,регистрацию величин потоков прошедшего через выхлопные газы зондирующего излучения двумя приемниками, расположенными противоположно источникам, и расчет дымности в соответствии с зарегистрированными величинами, отличающийся тем, что посылку зондирующего излучения источниками, находящимися в точках 1 и 2, осуществляют по пересекающимся в точкевнутри струи выхлопных газов направлениям, при этом теми же приемниками, находящимися в точках 3 и 4, регистрируют величины потоков рассеянного в точкепод угломизлучения, а величину дымности определяют посредством расчета массовой концентрации сажи М в выхлопных газах в соответствии с выражением(1 , , 3 ) (2 , , 4 ) ,/(1 , 4 )(2 , 3 ) где- удельный вес частиц сажи/ - сечение рассеяния под угломчастиц сажи(1, , 3) и (2, , 4) - величины потоков рассеянного излучения(1, 4) и (2, 3) - величины потоков прошедшего через выхлопные газы излучения. 7721 1 2006.02.28 2. Устройство для измерения дымности выхлопных газов, включающее два источника и два приемника излучения, оптически связанных между собой, и диффузор с отверстиями против источников и приемников, отличающееся тем, что диффузор жестко связан с пробоотборником, вставляемым с помощью центрирующих колец в выхлопную трубу,четыре отверстия выполнены в области самой узкой части диффузора, источники и приемники излучения, оптические оси которых ориентированы на пересечение в центре канала диффузора, закреплены на кольце, помещенном в посаженный на диффузор теплоизоляционный корпус с отверстиями, соответствующими указанным отверстиям, на котором расположены электронный узел регистрации принятых приемниками сигналов, их обработки и индикации, а также датчик температуры струи выхлопных газов и блок питания устройства, причем кольцо закрыто отражателем выхлопных газов, жестко соединенным с диффузором, внутренняя поверхность которого в узкой части зачернена, при этом устройство выполнено с возможностью подачи через отверстия незагрязненного воздуха из защищенного отражателем объема внутрь диффузора. Изобретение относится к оптическому аналитическому приборостроению, области охраны окружающей среды, контроля технологических процессов и может быть использовано для определения массового (весового) количества аэрозольных частиц в выбросах. Принцип действия известных дымомеров основан на измерении величины ослабления проходящего через выброс излучения и дополнительном измерении величины компенсационного потока. Погрешности измерений этих дымомеров зависят от точности калибровки, т.е. погрешностей определения аппаратурных параметров. Нестабильность аппаратурных параметров приемно-излучающих устройств из-за изменения условий проведения измерений (т.е. температуры, величин помех, фоновой засветки и т.д., изменяющих параметры электронных элементов излучающих, приемных и регистрирующих устройств) приводит к необходимости корректировки (подстройки) нулевого значения, выставляемого путем калибровочных измерений. Зачастую при быстрых изменениях условий, например температуры, даже проведение калибровки не позволяет устранить возникающие погрешности. Дополнительное же измерение компенсационного потока снижает влияние только нестабильности излучаемой световым источником мощности во времени. Предложенные решения по исключению нестабильности аппаратурных констант, загрязнений оптических элементов, вариаций параметров окружающей среды не решают данную проблему в комплексе. Измерители дымности имеют две измерительные шкалы основную - в абсолютных величинах ослабления света (м-1) и вспомогательную - линейную с диапазоном измерений 0-100 . По новым правилам ЕЭК ООН определение дымности выбросов должно проводиться на основе определения массового количества сажи в единице объема выхлопа. Под загрязняющимися твердыми частицами подразумеваются компоненты выхлопных газов,улавливаемые в выхлопных газах с помощью фильтра дымомера. Эти фильтры, предназначенные для улавливания твердых частиц, перед измерениями должны обрабатываться(при определенных температуре и влажности) в пыленепроницаемой оболочке в климатической камере от 8 до 56 ч. После обработки чистые фильтры взвешиваются и консервируются до момента их использования. Если фильтры не используются в течение часа с момента их извлечения из камеры для взвешивания, они должны подвергаться повторному взвешиванию 1-2. Данные дымомеры не удовлетворяют международным требованиям ЕЭК ООН, так как не позволяют определять массовую концентрацию количества сажи в выбросах, а используемый весовой метод для определения массовой концентрации сажи в выбросах является неоперативным и трудоемким. Они также не позволяют решать задачу исключения влия 2 7721 1 2006.02.28 ния нестабильности параметров аппаратуры и вариаций характеристик окружающей среды в комплексе. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, заключающийся в одновременной посылке зондирующего и компенсационного световых пучков из двух противоположно расположенных за границей выброса точек и измерении двумя фотоприемниками, расположенными позади этих точек, величины потоков от этих излучателей 3. Этот способ позволяет снизить погрешности за счет устранения влияния изменений условий проведения измерений, аппаратурных констант и параметров окружающей среды. Однако он предназначен для определения коэффициента поглощения света в м-1 и дымности в , а не массовой концентрации сажи в выбросах. Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи оперативного определения массовой концентрации сажи в выбросах автотранспортных средств с высокой точностью,путем исключения методических погрешностей, обусловленных нестабильностью условий проведения измерений. Поставленная задача решается тем, что посылку зондирующего излучения источниками, находящимися в точках 1 и 2, осуществляют по пересекающимся в точкевнутри струи выхлопных газов направлениям, при этом приемниками, находящимися в точках 3 и 4, регистрируют величины потоков рассеянного в точкепод угломизлучения, а величину дымности определяют посредством расчета массовой концентрации сажи М в выхлопных газах в соответствии с выражением( 1 , ,3 )( 2 , ,4 ), /( 1 ,4 )( 2 ,3 ) где- удельный вес частиц сажи/ - сечение рассеяния под угломчастиц сажи(1, , 3) и (2, , 4) - величины потоков рассеянного излучения(1, 4) и Р(2, 3) - величины потоков прошедшего через выхлопные газы излучения. Схема измерений, реализующая предлагаемый способ, приведена на фиг. 1. В ее состав входят источники излучения, находящиеся в точках 1 и 2, разнесенные на небольшое расстояние и ориентированные таким образом, чтобы излучаемые ими лучи пересекались в рассеивающей среде (выхлопе), а также расположенные противоположно источникам приемники излучения, находящиеся в точках 3 и 4. При посылке зондирующего оптического излучения источниками, находящимися в точках 1 и 2, по пересекающимся в точкевнутри струи направлениям и регистрации их приемниками, находящимися в точках 3 и 4, для величин потоков, проходящих через выхлоп и рассеянных под угломв точке , можно записать следующее выражение(2, , 4)202(2, )(, 4) ,где 1, 2 - соответственно аппаратурные константы фотоприемников, находящихся в точках 3 и 4 Р 01, Р 02 - соответственно величины потоков излучения, излучаемых в точках 1 и 2- коэффициент ослабления оптического излучения в точке- коэффициент рассеяния оптического излучения в точкепод углом .(5)М - массовая концентрация аэрозольных выбросов (сажи) в выхлопах- удельный вес аэрозольных частиц (сажи)- сечение рассеяния под угломаэрозольных частиц (сажи).( 1 ,4 )( 2 ,3 ) Как видно из (7), выражение для массовой концентрации выбросов в выхлопе не содержит ни аппаратурных констант (которые меняются при изменении внешних условий),ни энергии импульсов излучения. Это означает устойчивость предлагаемого способа к изменениям условий проведения измерений, а следовательно, и снижение погрешности измерений. При этом решается и задача оперативности определения массовой концентрации выбросов, поскольку не требуется использование фильтров, а значенияи / берутся из табличных данных. Таким образом, с использованием предлагаемого способа достигается оперативное определение требуемой по правилам ЕЭК ООН характеристики массовой концентрации выбросов с высокой точностью, исключающей методические погрешности, обусловленные нестабильностью условий проведения измерений. По существующим правилам ЕЭК ООН измерение дымности должно проводиться с использованием пробоотборника, помещаемого на глубину не более 6 и не менее 3 от его выходного сечения при температуре, соответствующей температуре охлаждающей жидкости или моторного масла 4 ( - диаметр постоянного сечения выхлопной трубы). Ниже приводится описание дымомера, реализующего предлагаемый способ с выполнением требуемых ЕЭК ООН правил и решающего поставленную в пункте 1 задачу оперативное определение массовой концентрации сажи в выбросах автотранспортных средств. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения дымности выхлопных газов, включающем два источника и приемника излучения, оптически связанных между собой, диффузор жестко связан с пробоотборником, вставляемым с помощью центрирующих колец в выхлопную трубу, четыре отверстия выполнены в области самой узкой части диффузора, источники и приемники излучения, оптические оси которых ориентированы на пересечение в центре диффузора, закреплены на кольце, помещенном в посаженный на диффузор теплоизоляционный корпус с отверстиями, соответствующими указанным отверстиям, на котором расположены электронный узел регистрации принятых приемниками сигналов, их обработки и индикации, а также датчик температуры и блок питания устройства, причем кольцо закрыто отражателем выхлопных газов, жестко соединенным с диффузором, внутренняя поверхность которого зачернена, при этом устройство выполнено с возможностью подачи через отверстия незагрязненного воздуха из защищенного отражателем объема внутри диффузора. Функциональная схема дымомера, решающего поставленную задачу, приведена на фиг. 2. Она включает центрируемый пробоотборник 1, жестко связанный с диффузором 2 и отражателем 3 струи выхлопных газов, кольцо 4 с закрепленными на нем приемниками 7721 1 2006.02.28 5 и источниками 6 излучения, теплоизоляционный корпус 7 с расположенными на нем электронным блоком, датчиком температуры и блоком питания. Измеритель дымности работает следующим образом. Пробоотборник вставляется в выхлопную трубу и, располагаясь за счет центрирующих колец 8 примерно в середине ее сечения, позволяет отобрать газы из центральной зоны выбрасываемой двигателем струи отработавших газов, которые проходят далее через диффузор 2 и жестко связанное с ним выходное сопло 9. Сопло 9 с целью создания газодинамической защиты от загрязнений излучателей и приемников оптико-механического блока дымомера частицами сажи и масла, содержащимися в выхлопных газах, имеет расширяющееся к выходу сечение. Это позволяет за счет возникающего при расширении сопла увеличения скорости истечения газов и соответствующего уменьшения давления в струе подавать через узкие щели 10,прорезанные вдоль сопла для прохождения оптических сигналов (фиг. 3), незагрязненный воздух из защищенного отражателем струи объема, что не дает возможности загрязняющим частицам попадать внутрь оптико-механического блока. Для тепловой развязки нагревающегося при протекании выхлопных газов сопла от электронного блока, отсека питания и корпуса дымомера применяется слой теплоизоляции. Датчик температуры струи выхлопных газов необходим для контроля, поскольку температура отработавших газов при измерениях дымности должна быть не ниже 70 С для предотвращения погрешностей, возникающих вследствие конденсации водяного пара при остывании выхлопных газов. Излучатели и приемники оптико-механического блока расположены на кольце 4 (сечение этого блока для перпендикулярного расположения направлений зондирования показано на фиг. 3). Для уменьшения влияния отраженного от стенок сопла излучения светодиодов на результаты измерений внутренняя поверхность сопла чернится и применяется показанная на фиг. 3 дополнительная бленда 11, не позволяющая отраженному от стенок сопла излучению попадать на фотоприемники. Чистый воздух попадает в оптикомеханический блок через отверстия в дне корпуса дымомера и, медленно перемещаясь,засасывается в сопло через щели, препятствуя загрязнению оптических поверхностей. Для удобного управления режимами работы измерителя дымности и считывания показаний кнопки установок режимов и жидкокристаллический индикатор размещаются на электронной плате, расположенной под верхней горизонтальной панелью дымомера. При длине прямолинейного участка выхлопной трубы менее 3 зонд рекомендуется заглублять до половины прямолинейного участка. Поскольку конструкции и габаритные размеры выхлопных труб в легковых и грузовых автомобилях сильно различаются, для нефелометрического дымомера используют набор зондов с различными длинами и диаметрами. Источники информации 1. ГОСТ 17.2.201-84. Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. - Нормы и методы измерений. Переизд. Февр. 1984. 2. Правила ЕЭК ООН 24. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия в отношении выброса видимых загрязняющих веществ. - Пересмотр.2. Апр. 1981. 3.1721478 А 1, 1992. 4. Правила ЕЭК ООН 49. Единообразные измерения, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ. - Пересмотр.2. Окт. 1995. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.