Способ обработки сигналов датчика ударных импульсов твердых частиц аэрозольного потока

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля движущегося пылегазового аэрозоля, а именно к способам обработки акустического сигнала, излучаемого аэрозольным потоком для определения концентрации твердых фаз и распределения частиц по их крупности в потоке. Обработку сигнала осуществляют путем разложения суммарного сигнала в спектр Фурье. Концентрацию твердых частиц находят по первой основной и тембровой гармоникам, которые имеют гребенчатую структуру. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля движущегося пылегазового аэрозоля, к способам обработки акустического сигнала, излучаемого аэрозольным потоком, с целью определения концентраций твердых фаз и распределения частиц по их крупности в потоке.

Изобретение может быть использовано при диагностике экологичности, соответствию гигиеническим нормам, взрыво- и пожароопасности аэрозоля в технологиях промышленных предприятий (например, зерноперерабавывающей, угледобывающей, перерабатывающей, цементной и других отраслях).

Известный способ и устройство для определения распределения частиц по размерам и их концентраций во взвесях с помощью ультразвука [1] относится к способам определения концентрации частиц и определения закона их распределения, т. е. к способам обработки сигналов, который заключается в том, что через движущийся аэрозоль пропускают метрологически высокостабильный калиброванный акустический зондирующий ультразвуковой сигнал. Измеряя ослабление ультразвукового сигнала, прошедшего через аэрозоль, получают спектр его ослабления за счет рассеивания пылевыми частицами энергии зондирующего ультразвукового сигнала в заданном диапазоне частот. Осуществляя сравнение зарегистрированного спектра ослабления ультразвукового сигнала, прошедшего через аэрозоль, со спектрами из банка данных, хранящихся в памяти прибора или ЭВМ в виде типовых спектров, получают сведения о конструкции и крупности частиц аэрозоля.

Существенными недостатками способа является сложность реализации, обработки результатов измерения. Известно, что зондирование калиброванными ультразвуковыми сигналами требует даже для одной физически индивидуальной пыли громадного набора эталонных распределений и концентраций.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический способ определения дисперсного аэрозоля [2] принятый за прототип, включающий измерение концентрации (по массе) и распределение пылевой фракции по крупности.

Сущность пьезоэлектрического способа заключается в том, что исследуемый аэрозоль обтекает пьезоэлектрический датчик, отклоняясь от линии тока, при этом частицы ударяются о поверхность крепления пьезоэлемента, и на обкладках датчика возникают ударные импульсы напряжения, амплитуды которых зависят от размеров частиц аэрозоля и их концентрации. Электрические сигналы пьезодатчика усиливают, приводят к стандартной форме, детектируют и регистрируют электронным анализатором импульсов. Последний осуществляет измерение счетной концентрации частиц пыли путем суммирования электрических импульсов, возникающих при соударении частиц с креплением пьезоэлемента.

Недостатки способа сложность реализации, что влияет на точность и надежность результатов измерений, непрерывного слежения и дешифровку сигнала. Так, для реализации способа и дешифровки сигнала вычисления с помощью ЭВМ требует огромное количество безразмерных характеристик, зависящих от параметров аэрозоля и характеристик сквозного канала измерительной системы.

Задача изобретения повышение точности и надежности обработки результатов измерения параметров пылегазового потока, простота реализации с непрерывным слежением за изменением концентрации и дисперсности твердых фаз (по массе) в пылегазовом потоке.

Поставленная цель достигается тем, что анализируемый пылегазовый поток прогоняют мимо укрепленного акустического датчика, например, пьезоэлектрического с известной скоростью. Акустический сигнал, излучаемый твердой фазой аэрозоля, отдает датчику часть кинетической энергии, которая преобразуется датчиком во входной электрический сигнал, поступающий на вход спектроанализатора, где он превращается в спектр Фурье анализируемого пылегазового потока. Концентрация отдельных дисперсных составляющих пыли (кг/м³), входящих в переносимую потоком твердую фазу дискретных составляющих пыли, вычисляют по формуле где B_o амплитуда первой основной гармоники спектра Фурье, исправленной на неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительного тракта и за вычетом постоянной инструментальной шумовой помехи; B_ik элемент двухмерного массива, которые является амплитудами i-й гребенки для k-х тембровых гармоник спектра Фурье, исправленная на АЧХ и инструментальный шум; F_ik весовая функция, учитывающая амплитудно-частотную характеристику всего измерительного тракта; F_o - значение весовой функции первой гармоники; масштабный параметр, пересчитывающий относительную безразмерную концентрацию в концентрацию по массе в г/м³; m масса твердой фазы аэрозоля; V расчетный объем аэрозоля, определяемый по результатам тарировки измерительного тракта.

После этого вычисляют общую концентрацию твердой фазы в исследуемом аэрозоле по формуле Существенными признаками предлагаемого способа является то, что дешифровка импульсного акустического сигнала, поступающего от входного датчика в измерительную систему, осуществляется по первой основной гармонике (спектральной плотности мощности) и тембровым гармоникам спектра Фурье. Это позволяет повысить точность и надежность контроля концентрации твердой фазы, резко ускорить процесс обработки, упростить определение концентрации твердой фазы.

Использование тембровых гармоник при определении концентрации является не только новым, но и обеспечивает способу существенные метрологические качества.

Проверка работоспособности предлагаемого способа осуществлена на лабораторной установке, позволяющей имитировать пылегазоход, дозировать концентрацию пыли при различных скоростях пылегазового потока и возможных концентрациях твердой фазы в аэрозоле.

Эксперимент, обработанный предлагаемым способ на ПЭВМ, подтвердил высокую надежность, простоту и точность способа.

На чертеже показана последовательность обработки акустического сигнала аэрозольного потока.

В одном из опытов для определения концентрации пылевого аэрозоля были выбраны следующие параметры аэрозольного потока: запыленность газового потока, 0,4 г/л; дисперсный состав пыли, 60-100 мкм; скорость потока, 5 м/с; пылевая навеска: 0 г (чистый воздух), 2 г, 4 г; расчетный объем, 0,005 м³.

По предлагаемому способу обработки был просчитан пример в конкретном информационном диапазоне частот, где данные реализации приведены в таблице.

Инструментальные шумы во всей полосе частот составляли не более 1% поэтому они не учитывались.

После обработки исходных данных по предлагаемому способу получаем распределение частиц по размерам от 60 до 100 мкм и общую среднюю концентрацию пылевого потока, равную 0,5 г/л0,7% что соответствует действительной запыленности аэрозоля.

Неравномерность частотной характеристики датчика была определена на стандартном имитаторе СМА-04.

Собственная частота датчика равная 16 кГц.

Источники информации:
1. Патент США N 5121629, кл. 73/61.41. Опубл. 1992.

2. Малыгин Н.А. и др. Труды Ленинградского института авиационного приборостроения. 1974, Вып. 86, с.51-57.

Формула изобретения

Способ обработки сигналов датчика ударных импульсов твердых частиц аэрозольного потока, включающий отделение ударных импульсов частиц от отраженных и перекрывающих импульсов, отличающийся тем, что обработку сигнала осуществляют путем разложения суммарного сигнала в спектр Фурье, а концентрацию находят по первой основной и тембровым гармоникам, которые имеют гребенчатую структуру, идентифицируют классы твердой фазы аэрозольного потока по отношениям суммы пиков гребенок, которые соответствуют интервалам крупностей частиц, к сумме всех столбиков основной и тембровых гармоник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2