Таблица 2

Допустимые выбросы пыли при производстве строительных материалов (мг/м3)

Методы исследования аэрозолей разделяют на две большие группы: с выделением и без выделения дисперсной фазы аэрозоля из дисперсионной среды. Основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой концентрации пыли. К недостаткам их относятся длительность отбора

8

пробы, низкая чувствительность, трудоемкость анализа. Преимущества методов второй группы – возможность непосредственных измерений в самой пылегазовой среде, непрерывность измерений, высокая чувствительность. Существенный недостаток – влияние изменений свойств пыли, особенно дисперсного состава.

Для измерения атмосферной пыли представляют интерес лазерные дистанционные методы анализа в видимой и ближней инфракрасной областях спектра /6/. При анализе дымовых газов предпочтение отдается приборам, которые могут быть установлены непосредственно на газоходе после котла без применения средств отбора и очистки газов, т.е. основанных на прямом облучении газового потока /5/.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА

Тонкий слой среды dl рассеивает и поглощает свет в количестве, пропорциональном световому потоку, входящему в слой. Такой средой может служить поток газа, содержащий частицы. В случае рассеяния, если F – световой поток, падающий на слой, и b – коэффициент пропорциональности, то изменение светового потока слоем будет:

где l – путь светового пучка в потоке; F0 - световой поток при l = 0.

Аналогичное уравнение получается и в случае поглощения:

9

Величины b и k – это коэффициенты рассеяния и поглощения, соответственно, из которых складывается коэффициент экстинкции, γ = b + k ; поэтому:

Величину γ называют также коэффициентом помутнения или коэффициентом ослабления.

Если измерить поток света в двух различных точках z = 0 и z = l, то γ может быть найден из соотношения:

Коэффициент передачи F/F0 (он же коэффициент пропускания) определяется по отклику приемника при наличии и в отсутствии исследуемого образца, помещенного между источником и приемником. Отсюда следует формула для определения коэффициента пропускания среды:

где F – поток света, прошедший оптическую среду; F0 – начальный поток света, падающий на среду.

Исследуемая измерителем среда является неоднородной. В ее состав помимо газа входят частицы сажи различного диаметра. Поэтому является очевидным тот факт, что коэффициент экстинкции частиц сажи зависит не только от их объемной концентрации, но и от количества частиц определенного диаметра в некотором интервале диаметров, т.е. от распределения частиц по размерам. Для полидисперсного аэрозоля, каждая фракция которого содержит счетную концентрацию ni (м-3) сферических частиц с площадью поперечного сечения Ai [1]:

10

i=1

где Qэкст= 2 – фактор эффективности экстинкции, т. к. сажевые частицы диаметром более 0,1 мкм практически полностью поглощают излучение в видимом диапазоне [7].

От суммирования можно перейти к интегрированию, считая, что в единичном объеме содержится n(d)dd частиц, имеющих диаметры в интервале от d до d+ dd. Полное число частиц в единице объема (синоним – «счетная концентрация») n равно

Считая, что Qэкст= const, для сферических частиц получим:

Коэффициент поглощения слоя частиц зависит от их фракционного состава, т.е. от вида функции n(d), т.к. в процессе работы прибор реагирует на перекрытие светового пучка частицами вещества, которые, в свою очередь, имеют различные геометрические характеристики (диаметр). При одинаковой массовой концентрации (этим параметром регламентируются предельно допустимые выбросы теплоэнергетических установок, поэтому он обычно предварительно известен) количество частиц различных диаметров будет разным (как правило, количество мелких частиц намного больше, чем крупных). Поэтому какому-либо фиксированному значению их массовой концентрации могут соответствовать различные значения оптического пропускания. 11

15

Большинство исследователей аэрозолей склоняются к гипотезе о логнормальном распределении частиц по диаметрам [5, 8], на основании которого и функционируют измерительные системы подобного класса. Логарифмически нормальное распределение получается, если в нормальную гауссову функцию распределения подставить в качестве аргумента не диаметр частиц, а логарифм диаметра. Кривая такого распределения имеет гауссову форму, если по оси абсцисс откладывать логарифмы диаметров частиц, а по оси ординат – значения d. Широкому применению логарифмически нормального закона при анализе фракционного состава способствовало то обстоятельство, что его справедливость теоретически доказана академиком Колмогоровым для материалов, подвергавшихся измельчению в течение достаточно длительного времени. Справедливость этого закона для многих видов пылей и порошкообразных материалов подтверждается экспериментальными исследованиями. Однако предлагаются другие формы распределений, т.е. этот вопрос должен решаться экспериментально.

Функция логнормального распределения имеет вид n(d ) = nf (d ) :

где d – диаметр частицы, мкм; dg – средний геометрический диаметр частиц, мкм; σg – стандартное геометрическое отклонение.

Параметры dg и σg находятся из экспериментальных данных (либо по счетной, либо по массовой концентрациям частиц в данном интервале):

где ni количество частиц в определенном интервале диаметров, di – среднее значение диаметра в этом интервале. Для этих расчетов удобен табличный процессор Excel.

С учетом вышеизложенного, коэффициент помутнения можно записать в следующем виде:

где n – суммарная объемная концентрация частиц, 1/м3; d – диаметр частиц, мкм. Множитель 10-12 учитывает тот факт, диаметр частиц в под знаком интеграла измеряется в мкм, а n в м-3. При оценках коэффициента помутнения газопылевого потока в процессе проектирования оптических измерителей пыледымовых выбросов интегрирование для различных законов распределения легко осуществляются в программной среде Mathcad.

Оптическая плотность среды D рассчитывается по формуле:

Пропорциональность D ~ n обуславливает использование в оптических измерителях дымности аналогового или цифрового логарифмирования сигналов фотоприемников.

3.КОНСТРУКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

3.1.Конструкции однолучевых измерителей

Основные элементы13 конструкции оптических измерителей пыледымовых выбросов и их взаимосвязи можно увидеть из рис. 1 [11].

Рис. 1. Простейший измеритель дымности.

1 - чистый воздух; 2 - источник света; 3 - контролируемый участок газохода; 4 - стенка газохода; 5 - приемник света; 6 - регистратор; 7 - сеть электропитания; 8 - самописец; 9 - щитовой прибор; 10 - звуковой извещатель.

14

Свет от источника 2, коллимированный линзой, через контролируемый участок газохода собирается линзой на фотоприемнике 5. Усиленный и пребразованный в регистраторе 6 до требуемых уровней сигнал подается на щитовой прибор 9, самописец 8 и звуковой извещатель, если последний предусмотрен в технических условиях. В зависимости от концентрации твердых частиц в отходящих газах изменяется падающий на фотоприемник световой поток, вызывая тем самым изменение показаний щитового прибора и отклонение пера самописца.

Такие приборы для пересчета изменения светового потока в концентрацию твердых частиц, содержащихся в газе, требуют эмпирической калибровки. Поток чистого воздуха 1 частично предохраняет оптические элементы от загрязнения. Если обращенные к газоходу оптические поверхности линз герметизируют оптико-электронные блоки, то патрубки для подачи чистого воздуха ввариваются в корпуса блоков между линзами и стенкой газохода.

Подобные приборы изготавливают серийно фирмы Durag Apparatebau GmbH (Гамбург), AEG (Франкфурт-на- Майне), E.Sick (Вальдкирх-ин-Брейсгау), Visomat-Gerate GmbH.

Основные недостатки простейшего измерителя дымности состоят в том, что на его показания непосредственное влияние оказывают как загрязнения защитных стекол-линз, так и временная нестабильность излучательных характеристик источника света и чувствительности фотоприемника. Если соответствующим выбором элементной базы излучателей и фотоприемников удается получить необходимый запас стабильности, то полностью устранить загрязнения наружной поверхности защитных стекол не удается. Кроме того, на практике следует предусмотреть юстировочные узлы для совмещения оптических осей блоков излучателя и

фотоприемника при их установке на газоходе, что демонстрируется на рис.2 [12].

Рис. 2. Измеритель оптической плотности газов с включениями твердой фазы.

1 – излучатель; 2 – фотоприёмник; 3 – индикатор; 4, 5 – стаканы; 6 – юстировочные узлы; 7, 8 – отверстия; 9 – газоход; 10 – основной фланец; 11 – ниппель; 12 – сильфон; 13 – фланец; 14 – органы управления; 15 – винт; 16 – пружина.

Измеритель содержит излучатель 1 и фотоприемник 2, сигнал с которого поступает на индикатор 3, установленные в торцах стаканов 4 и 5, причем стаканы 4 и 5 крепятся через юстировочные узлы б соосно отверстиям 7 и 8, имеющимися в газоходе 9 для образования оптического канала. В свою очередь, юстировочный узел 6 состоит из основного фланца 10, в котором имеется ниппель 11 для подачи защитного газа, соединенного гибкой герметичной связью 12 (сильфон,

16

гофр) с фланцем 13, к которому крепится стакан 4 осуществляется органами управления 14, состоящими из винтов 15, подпружиненных пружинами 16.

Измеритель работает следующим образом. На противоположных стенках газохода 9 имеются отверстия 7 и 8, центры которых могут иметь взаимное смещение в пределах допусков, рассчитанных из амплитуды угловых перемещений юстировочных узлов 5 излучателя 1 и фотоприемника 2, расстояния между противоположными стенками и их взаимной ориентации. Блок излучателя (излучатель 1 в стакане 4 на юстировочном узле 6) электрически смонтированного измерителя закрепляется на газоходе 9. Измеритель включается и путем манипуляций органами управления 14 юстировочного узла 6 блока излучателя совмещают центр светового пятна с центром отверстия под блок фотоприемника (фотоприемника 2 в стакане 4 на своем юстировочном узле б). Затем на газоходе закрепляется блок фотоприемника и путем манипуляций органами управления котировочного узла б блока фотоприемника добиваются максимального показания индикатора 3 сигнала фотоприемника, которое и соответствует наиболее полному, использованию светового потока.

Если газоход 9 работает под пониженным давлением, то отверстия ниппелей 11 оставляют открытыми для сообщения с атмосферным воздухом, который и создает противоток защитного газа. В случае установки измерителя на газоходы, работающие под давлением выше атмосферного ниппеля 11 подключаются к напорной магистрали защитного газа (магистрали сжатого воздуха).

Находит применение и активная защита оптических элементов от накопления на их поверхности частиц золы введением в конструкцию коронирующих электродов 11 и 13 (рис. 3) [13]. На излучатель 1 поступает импульсное

напряжение от элемента 20 питания, формируемое модулятором 21, которое обусловливает излучение электромагнитного сигнала (в видимом или инфракрасном диапазоне

Рис. 3. Устройство с электростатической защитой:

1 – излучатель; 2 – фотоприёмник; 3 – газоход; 4, 5 – стаканы; 6, 7 – окна; 8, 9 – линзы; 10, 11, 12, 13 – электроды; 14 – высоковольтный блок питания; 15, 16 – диэлектрические заглушки; 17, 18 – отверстия; 19 –элемент питания; 20 – модулятор; 21 – преобразователь; 22 – регистрирующий прибор; 23 – пороговый элемент; 24 – схема И; 25 – прерыватель; 26 – генератор.

в зависимости от типа излучателя) через окна б и 7 в газоходе 3 и контролируемую среду (дымовые газы) попадает на фотоприемник 2. Этот сигнал после фильтрации и усиления в преобразователе 21 регистрируется регистратором 22.

В газоходе 3 на счет работы дымососа создается давление ниже атмосферного. В связи с этим через

щелевые отверстия между открытыми торцами стаканов 4

и5 и отверстия в их стенках 17 и 18 подсасывается воздух из атмосферы в полость газохода 3. Поэтому создаваемая воздушная подушка защищает оптические элементы излучателя и фотоприемника 2 от налипания на их поверхность золы из газохода 3.

Для защиты их при длительных режимах работы устройство снабжено электродами 10 - 13, подключенными к высоковольтному блоку питания 14. Два их этих электродов 11 и 13 - основные, коронирующие. Электроды 10 и 12 выполнены кольцевыми и расположены в контакте

исоосно с линзами 8 и 9. При подаче на электроды высокого постоянного напряжения это обеспечивает перераспределение зарядов на линзах 8 и 9 из диэлектрика. Около поверхности электродов скапливаются заряды разноименного знака, поэтому внешняя поверхность линз имеет заряд одноименного знака с кольцевыми электродами 10 и 12. Возможность упомянутого распределения зарядов определяется расположением кольцевых электродов по боковой поверхности линз. Для того, чтобы частицы золы, поступающие через отверстие в газоходе, получили одноименный заряд с внешней боковой поверхностью линзы между последней и отверстием в газоходе установлены коронирующие электроды 11 и 13.

Для исключения накопления частиц золы на коронирующих электродах 11 и 13 и линзах 8 и 9 введена схема, обеспечивающая периодический сброс частиц путем изменения полярности на электродах. Эта схема срабатывает при превышении уровня выходного сигнала с преобразователя 21 выше порогового, значение которого выбирается экспериментально. Следствием выброса золы через отверстия в газоходе является резкое увеличение концентрации на открытых торцах стаканов, следовательно, выходного сигнала преобразователя 21. Уровень этого сигнала обеспечивает срабатывание

порогового элемента 23 схемы И 24 (на второй вход которого поступает постоянный сигнал с блока питания 14), которая включает генератор 26 прямоугольных импульсов, вырабатывающий отрицательный импульс на закрытие прерывателя 25. На электроды не поступает высокого напряжения и за счет разности потенциалов заряженных частиц, налипших на электродах и линзах, последние сбрасываются и увлекаются потоком воздуха в газоход.

Основной недостаток данной конструкции – наличие высокого напряжения, необходимого для создания коронного разряда. Это обуславливает повышенные требования по технике безопасности и установку источника питания высокого напряжения, что приводит к дополнительным затратам и повышает стоимость прибора. Предложенное устройство электростатической очистки, загрязняющихся осаждающимися частицами оптических поверхностей, усложняет конструкцию и, в принципе, также не устраняет влияния загрязнений оптики на результаты измерений.

3.2. Серийный измеритель дымности ДМП-205

Для непрерывного контроля полноты сгорания топлива на крупных ТЭЦ и ГРЭС предназначен серийный дымомер ДМП-205 (рис. 4). Шкала дымомера линейная, отградуированная в единицах оптической плотности от 0 до 0,03. Допустимое время запаздывания показаний не более 20 с. ДМП-205 выдает унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0…5 мА для работы автоматических самопишущих приборов и аналогоцифровых преобразователей с входным сопротивлением 0…2,5 кОм. Он имеет средний срок службы не менее 6 лет и вероятность безотказной работы за 2000 час. Р(2000) > 0,91 [14].

Блок осветителя и блок светоприемника устанавливаются на газоходе размерами от 1 до 5 м со скоростью потока до 20 м/с и температурой газов от 100 до 3500 С. Температура окружающего воздуха от 5 до 500 С при относительной влажности от 30 до 95%. Расстояние между выносными блоками (осветителя и светоприемника) и электронным блоком по соединительной линии не более

300 м.

20

Рис. 4. Комплектация дымомера ДМП-205:

1 - блок осветителя; 2 - блок светоприемника; 3 - электронный блок; 4 - стабилизатор С-0,16; 5 - автоматический самопишущий миллиамперметр КСУ-4; 6 - присоединительный фланец.

Источником электропитания служит сеть переменного тока 220 (± 10%) В, 50 (± 1) Гц. Потребляемая

мощность не более 100 В∙А. Габариты блоков, мм: осветителя - 710х200х298; светоприемника - 710х200х298; электронного - 120х180х405. Масса блоков, кг: осветителя - 21,8; светоприемника - 20; электронного - 6. 3.

Повышение метрологических характеристик оптических измерителей пыледымовых выбросов путем полной или частичной нейтрализации нестабильности характеристик излучателей и фотоприемников, а также загрязнения защитных стекол, достигается применением многолучевых оптических схем.

Наиболее наглядно назначение каналов и преимущества многоканальных схем в оптических измерителях пыледымовых выбросов представлены в патенте [15]. Схема оптического пылемера изображена на рис.5. Первый излучатель 1 расположенный перед рабочей камерой совместно с фотоприёмником 4 через окна рабочей 3 камеры формирует измерительный канал. Измерительный канал проходит через исследуемую среду и несет информацию о её состоянии. Второй излучатель 5

Рис. 5. Схема оптического пыылеметра:

1 – светоизлучатель; 2 – линза; 3 – защитные окна; 4 – светоприёмник; 5 – контрольный светоизлучатель; 6 – дополнительный светоизлучатель; 7 – рабочая камера; 8 – патрубок.

В ходе работы регистрируется отношения сигналов фотоприемника пропорциональные мощностям световых потоков измерительного канала и канала контроля загрязнения защитного стекла к сигналу фотоприемника в канале контроля его чувствительности. При равенстве начальных мощностей световых потоков по этим отношениям выделяется сигнал, пропоциональный коэффициенту оптического пропускания измерительного

канала, обусловленного поглощением и рассеянием на 23

частицах, присутствующих в газопылевом потоке.

Как показывает практика, полупроводниковые фотоприемники (фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы) при условии непревышения эксплуатационных параметров (мощности рассеяния, напряжения, тока, температуры) предельным обладают более высокой временной стабильностью фоточувствительности по сравнению с временной стабильностью излучательных характеристик типовых излучателей оптических измерителей пыледымовых выбросов – ламп накаливания, светодиодов и полупроводниковых лазеров. Кроме того, излучатели являются наиболее энергоемкими компонентами измерительных оптико-электронных приборов. Наконец существуе еще чисто конструктивная проблема защиты дополнтельного светоизлучателя 6 (рис.5), который расположен в объеме, сообщающимся с исследуемым газопылевым потоком. Поэтому представляется целесообразным усовершенствовать патент [14] в направлении снижения числа излучателей до одного.

Вариантом усовершенствования технического решения [15] является патент [16]. В нем предлагается следующая схема измерителя концентрации частиц в

газовых потоках (рис.6): пучок лазера 1 коллимируется линзой 2, часть светового потока источника излучения попадает на зеркало опорного канала 5 и, отразившись от него, падает на опорный фотоприемник 7. Остальное излучение проходит через дымоход и фокусируется линзой 9 на измерительном фотоприемнике 8. Сигналы от опорного и измерительного фотоприемников усиливаются линейными усилителями 10, 11, далее логарифмируются элементами 12, 13 и подаются на дифференциальный усилитель 15, с которым соединен регистратор 16. Компаратор 14 выдает сигнал на очистку выходного окна при его сильном загрязнении.

24

Рис.6. Оптико-электронное устройство для измерения концентрации частиц:

1 – лазер; 2,9 – линзы; 3 – защитное стекло; 5 – зеркало опорного канала; 6 – полый светопровод блока излучателя; 7 – опорный фотоприемник; 8 – измерительный фотоприемник; 10,11 – линейные усилители; 12,13 – логарифмические усилители; 14 – компаратор; 15 – дифференциальный усилитель; 16 – регистратор. 17 – источник электропитания; 18 – корпус блока излучателя; 19 – корпус блока приемника; 20 – устройство подачи защитного газа; 21 – стенки дымохода; 22 – отверстия.

Измеритель работает следующим образом. Блоки излучателя и приемника соосно располагаются на противоположных стенках дымохода, в которых предварительно вырезаются отверстия. В отсутствии дыма путем регулировки коэффициентов усиления линейных усилителей устанавливают равенство сигналов подаваемых на вход дифференциального усилителя и, соответственно, нулевое значение оптической плотности или концентрации частиц на регистраторе 16. При загрязнении газового потока сажевыми частицами оптическое пропускание его уменьшится, в результате чего уменьшится выходной сигнал измерительного канала и, соответственно, регистратор25 покажет значение концентрации частиц в газовом потоке.

Благодаря вынесенному за защитное стекло отражателю и наличию опорного канала происходит не только компенсация флуктуаций интенсивности света источника, что свойственно всем двухлучевым схемам, но и загрязнений оптических элементов 3 и 4 сажей. Установка регулируемых усилителей 10, 11 перед логарифматорами 12 и 13 позволяет электронными методами выровнять чувствительность каналов, которая будет сохраняться при синхронных вариациях чувствительности фотоприемников, вызванных температурным дрейфом или процессами старения. Компаратор выдает сигнал предупреждения о недопустимом снижении интенсивности зондирующего пучка, который используется для очистки стекол 3, 4 либо для замены лазерного излучателя.

Приведем аналитическое доказательство факта долговременной компенсации влияния дестабилизирующих факторов загрязнения и синхронного дрейфа чувствительности фотоприемников в предлагаемом устройстве. Поскольку коллимирующий и фокусирующий

элементы находятся внутри герметичных корпусов и выполняются чаще всего из стекла и металла, то стабильность их характеристик на порядки величин выше, чем электронных и фотоэлектронных компонент, отношение их коэффициентов пропусканий постоянно и не влияет на выводимые соотношения, на основании которых делаются заключения о возможности долговременной компенсации. Коэффициенты пропускания их приняты равными 1. В силу малой апертуры отражающего элемента, его близкого расположения к отверстию для подачи защитного газа и практически 1800 ориентации его взаимодействующей со светом наружной грани относительно отверстия в дымоходе, его коэффициент отражения также считается неизменяющимся.

В первом приближении не учитываются шумовые, темновые и фоновые характеристики фотоприемников и усилителей, так как, в измерительных устройствах подобного типа интенсивность излучения излучателя или максимальная измеряемая оптическая плотность выбираются с позиций многократного превышения сигнала над шумом.

С учетом приведенных допущений, сигнал на выходе логарифматора 13 измерительного канала будет описываться выражением:

где Т, Т1 и Т2 - коэффициенты пропускания газосажевого потока, защитных окон 3 и 4, соответственно; К1 - коэффициент усиления усилителя 11; G1 - чувствительность измерительного фотоприемника 8; P01 - интенсивность света источника 1, изучаемого в направлении измерительного фотоприемника. Сигнал на выходе логарифматора 12 опорного канала:

где R - коэффициент отражения отражателя 5; K2 - коэффициент усиления усилителя 10; G2 - чувствительность опорного фотоприемника 7; P02 - интенсивность света источника 1, излучаемого в направлении опорного фотоприемника.

Тогда сигнал на выходе вычитателя 15 примет вид:

Если при настройке устройства в отсутствии твердых частиц в газовом потоке, т.е. при пропускании Т = 1, отрегулировать коэффициенты усиления К1 и К2 так, чтобы сигнал на выходе вычитателя принял нулевое значение (второе слагаемое в выражении (17)), то регистрируемый сигнал будет пропорционален lnT, т.е. дымности, и эта

пропорциональность будет сохраняться как при 27

синхронном изменении (например, при изменении температуры или старении) их чувствительностей G1 и G2, коэффициентов усиления линейных усилителей К1 и К2, так и коэффициентов пропусканий Т1 и Т2 при осаждении сажи на защитных стеклах 3 и 4, что и подтверждает сделанное заключение о компенсации влияния загрязнений на регистрируемые устройством значения концентрации частиц.

Элементная база оптико-электронного устройства для измерения концентрации твердых частиц в дымовых газах описана в статье [17], а его конструктивное исполнение представлено на рис.7. В приборе использован лазерный диод RLD-650(5) со средней мощностью излучения 5 мВт на длине волны 650 нм, фотоприемником является кремниевый фотодиод ФД-24К. Большая инерционность теплоэнергетических установок позволяет использовать лазер в импульсно-периодическом режиме, при котором, во-первых, энергопотребление лазера

значительно меньше, чем в непрерывном режиме, вовторых, в тракте фотоприемника используются усилители переменного тока, у которых, в отличие от усилителей постоянного тока отсутствует дрейф нуля, и в-третьих, высокая скважность импульса дает возможность увеличения яркости излучения по сравнению со средней яркостью лазера. В данном измерителе длительность

9.Имеется аналоговый выход 0...5 мА для сопряжения с самопишущими приборами и информационноизмерительными системами.