全流式消光煙度計的製作方法
2023-05-24 00:48:16
專利名稱：全流式消光煙度計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量儀，更確切地說是涉及一種用於測量柴油發動機排氣煙度的儀器。
測量柴油發動機排氣煙度通常採用消光法或稱透光法，即一種測量不能透過煙縷的光通量的方法，以消光度作為煙度單位，表示光源在射向受光元件過程中被煙氣阻擋的光線量，用百分率％表示，當煙氣阻擋全部光線時消光度為100％，當光線透過潔淨空氣時消光度為0％。
目前國內普遍採用濾紙式煙度計來測量柴油發動機的排氣煙度，即先從柴油發動機的排氣管中取出一定體積的煙氣，將其噴到濾紙上，再將濾紙放置在光電測量裝置中，根據光通量確定煙氣大小。該濾紙式煙度計存在的問題是只能檢測到炭煙，不能檢測到煙氣中的水蒸汽或液滴；由於採用分流式測量，人為制定時間取樣，取樣的時間、頻率完全由人工控制，因此測量數據不連續，也不能反映發動機的連續工作狀況；操作人員長期工作在煙氣、噪音、油氣味的環境中，既不衛生也有礙健康。
本實用新型的目的是設計一種全流式消光煙度計，測量發動機排放的全部氣流且直接在排氣管中進行取樣測量，從而使測量數據準確、快速，可不間斷地測量發動機在各個工況下的排煙情況。
本實用新型的全流式消光煙度計遵循比耳一蘭勃特(Beer-Lambert)定律設計，N＝100×(1-eKL)，N為消光度，L為煙管有效直徑，K為吸收係數。
本實用新型的全流式消光煙度計，由傳感器和二次儀表連接構成，所述的二次儀表包括含有發光源的光發射電路，順序連接的光接收放大電路、模數轉換電路及單片機電路，和與單片機電路連接的顯示電路、存貯器電路、擴展接口電路及鍵盤電路，其特徵在於所述的傳感器是傳感器架，包括環置在煙管上且與煙管的徑向通孔貫通的傳感器固定裝置，分置於煙管兩側的兩測量接頭，測量接頭的中心管孔與傳感器固定裝置連結、貫通，設置於測量接頭管孔內的鏡片和設置於測量接頭管孔內且分別位於一鏡片外側的光發射裝置及光探測裝置；所述二次儀表的光接收放大電路由結構完全相同的兩套電路分別組成主信號電路及參考信號電路，所述的主信號電路或參考信號電路由光探測器和放大電路連接構成；所述光發射電路的發光源設置在所述傳感器架的光發射裝置內，所述主信號電路中的光探測器設置在所述傳感器架的光探測裝置內，所述參考信號電路中的光探測器設置於傳感器架的光發射裝置內。
所述測量接頭的管壁內設有由環狀通道構成的環形氣套，測量接頭管壁上開設有潔淨空氣進口與環形氣套貫通，環形氣套上開設有一個以上的潔淨空氣出口與測量接頭的管孔貫通。
所述測量接頭的管壁內設有由環狀槽構成的環形水套，測量接頭管壁上開設有冷卻水進口及冷卻水出口，分別與環形水套貫通。
所述主信號電路或參考信號電路的放大電路由前置放大器、第一放大器、第二放大器、採樣/保持電路及濾波器順序連接構成；所述的二次儀表還包括有同步脈衝電路，連接於光發射電路與所述採樣/保持電路之間。
所述光發射電路的發光源有兩個，背靠背設置，分別對準於所述主信號電路中的光探測器和參考信號電路中的光探測器。
所述的二次儀表還包括有光發射控制電路，由光電耦合電路構成，設置於所述單片機電路一輸出端與所述光發射電路的發射控制端間。
所述的測量接頭上還設置有散熱片。
本全流式消光煙度計集光電技術、電子模擬技術和計算機技術於一體，大大提高了整機的智能化程度，由傳感器架實現煙管中測試光信號的發與收，當煙管中有煙流時，光探測器將所接收到的連續的隨煙度變化的動態光信號轉變成相應變化的電信號，由二次儀表對接收的電信號進行分析、處理、計算，顯示消光度N及吸收係數K等。
由環形氣套及潔淨空氣進、出口構成的空氣清掃結構，在通入潔淨空氣後於鏡片前形成了一個氣簾，可有效地阻擋從煙管中傳來的煙塵，使鏡片保持清潔，確保測量精度。所設置的與主信號電路結構相同的參考信號電路可有效解決溫度漂移對測試帶來的影響。
下面結合實施例附圖進一步說明本實用新型的技術
圖1.傳感器架結構示意圖圖2.圖1中測量接頭的一種實施結構示意圖圖3.二次儀表原理框圖圖4.圖3中光發射電路、光接收放大電路的實施電路圖圖5.圖3中前置放大電路的實施電路圖圖6.圖3中A/D、D/A變換電路的實施電路圖圖7.圖3中單片機電路及其外圍電路的實施電路圖參見圖1、圖2，傳感器架環置在煙管101上，主要包括傳感器固定裝置102和與傳感器固定裝置螺接且分設於煙管101兩側的測量接頭103、103′。
煙管101上設有徑向通孔1011，傳感器固定裝置102為環形體，套置並固定在通孔1011外的煙管101上，傳感器固定裝置102上也設有徑向通孔1021；該通孔1021與煙管101的通孔1011對正。測量接頭103、103′為縱截面呈T型的中空管狀體，一端通過螺紋1038(見圖2)與傳感器固定裝置102的通孔內螺紋螺接固定，保持彈性接觸，使測量接頭103、103′的管孔1039、1039′與傳感器固定裝置102的徑向通孔1021、煙管的徑向通孔1011及煙管101貫通。
測量接頭103或103′的大頭部管壁中設有圍繞管孔1039、1039′的環形水套1034、1034′及環形氣套1031、1031′，開設在管壁上的冷卻水進口1036、1036′及冷卻水出口1035、1035′分別與環形水套1034、1034′貫通，與水泵連結後用於水冷傳感器架。開設在管壁上的潔淨空氣進口1032、1032′與環形氣套1031、1031′貫通，開設在環形氣套1031上的多個潔淨空氣出口1033、1033′與測量接頭103、103′的管孔1039、1039′貫通。當由氣泵、空氣過濾器、油水分離器送出的潔淨空氣從潔淨空氣進口1032、1032′送入時，經環形氣套1031、1031′從多個潔淨空氣出口1033、1033′噴出，於管孔1039、1039′內形成氣簾並進入煙管101中，如圖1中虛線箭頭所示，圖1中實線箭頭表示煙流。圖2中冷卻水進、出口1035、1036與潔淨空氣進口1032成垂直設置。
測量接頭103、103′的管孔1039、1039′內，於氣簾後設置透鏡片104、104′，於透鏡片104、104′後分別設置光發射裝置105及光探測裝置106，透鏡片及發射、探測裝置均螺接固定在管孔內(見圖2)。
光發射裝置105內裝設有固體發光源，通過前端的透鏡片104發出一束平行調製光，穿過煙縷的光被光探測裝置106中的光敏元件接收，再經光電轉換、放大等，由二次儀表作進一步的數據處理。
為了確保光探測器能及時地將連續不斷的動態信號傳送給二次儀表，在測量接頭上設置了環狀空氣通道，氣泵的空氣經過濾和油水分離後變成潔淨空氣引入環狀通道，通過分布在環狀通道上的潔淨空氣出口噴射入管孔中，從而在鏡片前形成氣簾，清掃鏡片，有效地阻擋從煙管傳來的煙塵，避免因鏡片汙染而影響測量。
冷卻水從冷卻水進口1036進入環形水套1034，繞經環形水套後從冷卻水出口1035流出，防止產生過熱的水蒸汽，該水冷系統及測量接頭103、103′外的散熱片1037，保證了傳感器的正常工作。
參見圖3、圖中301為光發射電路。302為主信號電路，包括光接收器3021、前置放大器3022、第一放大器3023、第二放大器3024、採樣/保持電路3025和濾波器3026。參考信號電路303具有與主信號電路相同的電路結構。304為A/D模數變換器，305為擴展接口電路，306為單片機電路，307為只讀存貯器ROM，308為隨機存貯器RAM，309為擴展接口電路，供與印表機或記錄儀連接，列印測量數據。310為D/A數模轉換器，用於輸出模擬量。311為鍵盤輸入/數字顯示輸出電路，312為顯示驅動電路，313為數碼顯示器，314為鍵盤輸入。315為光發射控制電路，在單片機電路306的控制下進行光發射，316為同步脈衝發生電路，向採樣/保持電路3025提供同步脈衝。
二次儀表放大光接收器接收的信號，經解調、濾波、運算後送顯示器，顯示消光度N及吸收係數K等。
參見圖4，時基片IC14(NE556)、光電耦合器IC1(4N25)、晶體三極體V17、發光二極體L7(通過接插件X23與圖5中發光二極體L7連接)及其外圍元件連接構成光發射電路301，其中IC14連接構成振蕩電路，產生一定頻率的脈衝波，該脈衝信號經IC1光電隔離、三極體V17增流後驅動二極體L7發光。選用無燈絲的固體光源，不存在震動及燈絲老化問題，且開關頻率高便於進行脈衝調製。
晶體三極體V19、光電耦合器IC16連接構成光發射控制電路315，使光發射電路的工作受單片機電路程序的控制，指令信號經接插件X20送V19放大，再經IC16光電隔離後送IC14的控制端，控制時基片振蕩器的脈衝輸出，從而起到控制發光二極體的開關作用。
時基片IC15(NE556)、光電隔離器IC2(4N25)、運放器IC3及其外圍元件連接構成同步脈衝發生電路316，將IC14輸出的脈衝信號進一步增強後，再經IC2光電隔離、IC3解調後產生後續計算機採樣/保持器(主信號電路中的IC7及參考信號電路中的IC10)的同步脈衝。
圖中0X6-1、0X6-2端外接電源，接插件X18外接電源，接插件X23外接電源及設置在傳感器架光發射裝置中的發光源。
運放器IC5(0P07)、IC6(0P07)及其外圍元件分別連接構成第一、第二放大器3023、3024，運放器IC7(LF398M)及其外圍元件連接構成採樣/保持電路3025，運放器IC4(0P07)及其外圍元件連接構成濾波器3026，它們順序連接構成了主信號電路302，將測量信號轉換為利於計算機接受的模擬信號，同時在IC3的控制下與發光頻率保持同步。
運放器IC12、IC11、IC10、IC13等連接構成參考信號電路303，具有與主信號電路302相同的電路結構及作用。
結合參見圖5，為主信號電路的前置放大電路3022的實施電路，設置在傳感器架內，由運放器13及其外圍元件連接構成。V21為設置在傳感器架光探測裝置中的光敏二極體，將由L7發射過來並通過煙流的光信號轉換為電壓信號後再放大，經接插件X4送主信號電路的第一放大器IC5。參考信號電路的前置放大電路亦採用同於圖5的電路結構，只是其光敏二極體設置在傳感器架光發射裝置內，接收的光信號不隨煙管中煙流變化。
參考信號電路是專為消除本煙度計的溫度漂移而設置的輔助電路，由於傳感器所處的環境溫度變化範圍太大，僅依靠補償電路還不足以有效抑制信號隨溫度的漂移，故在二次儀表的放大電路網絡中設置一套與傳感器信號聯立消除溫度飄移的參考電路，由於參考電路完全模擬了主信號電路的工作過程，所選器件參數也儘可能一一對應，參考信號電路的發光源、光電接收及前置放大器均與主接收信號同處一個工作環境中，當外界環境溫度發生變化時，兩路的溫漂是相同的，因此在將它們的差值送入單片機電路進行數據轉化時就能有效地抑制溫漂。
接插件X17用於接入兩前置放大器的輸出信號。接插件X21連接外部電位器，用於調節主信號電路輸出電壓，接插件X22用於輸出兩路模擬信號，送圖6的A/D變換器進行模數變換。
參見圖6，接插件X1接入主信號電路及參考信號電路的模擬輸出信號，分別經模數轉換器IC3、IC4(MC14433，圖3中304)轉換為數位訊號後送擴展接口電路IC1(8255，圖3中305)，再經總線PE送圖7的單片機電路部分。圖中集成片IC8、IC9用於電平變換。
數模轉換器IC2(DAC1210)、電流電壓變換器IC5、放大器IC6、IC7連接構成數模轉換電路310，將單片機電路輸出的數字測量信號轉變為模擬量輸出，用戶可通過接插件X2取用。
參見圖7，單片機11(8031)及低位地址鎖存器15(74LS373)連接構成單片機電路306。12(2764)為ROM存貯器307，13(6264)為RAM存貯器308，14(8155)為擴展接口電路309，用戶可通過接插件X10、X11連接印表機，列印測量數據。
集成片(311)17(8279)用於鍵盤輸入及數字顯示輸出，該集成片既可接收鍵盤輸入，在工作的任意狀態下通過鍵盤輸入改變工作狀態，也可在需要數字顯示時，將數據信號送顯示驅動電路。接插件X15接鍵盤，接插件X14接復位鍵。18(74LS154)、19(74LS244)及110-115(74LS04、75492)連接構成顯示驅動電路312，由接插件X12、X13、X16連接數碼顯示器。圖中接插件X3與圖6總線PE連接，16(74LS138)用於產生片選信號。
單片機電路在主程序控制下完成本煙度計各個工況狀態的正常運轉，對接收放大電路送出的測量信號進行數據採集、運算、修正、誤差及完成數字顯示及其他監控功能。
本實用新型的全流式消光煙度計，測量發動機排放的全部煙流，而且直接在排氣管中進行取樣、測量，可以不間斷地測量發動機在各個工況下的排煙情況，利用自身的傳感器將測量信號傳輸給二次儀表進行分析計算，從而確定出排煙的大小，且可直接讀取數據，同時還可將測試數據分別模擬、數字列印輸出，其測試數據準確、快速，操作方便是現有濾紙式煙度計無法比擬的。
權利要求1.一種全流式消光煙度計，由傳感器和二次儀表連接構成，所述的二次儀表包括含有發光源的光發射電路，順序連接的光接收放大電路、模數轉換電路及單片機電路，和與單片機電路連接的顯示電路、存貯器電路、擴展接口電路及鍵盤電路，其特徵在於所述的傳感器是傳感器架，包括環置在煙管上且與煙管的徑向通孔貫通的傳感器固定裝置，分置於煙管兩側的兩測量接頭，測量接頭的中心管孔與傳感器固定裝置連結、貫通，設置於測量接頭管孔內的鏡片和設置於測量接頭管孔內且分別位於一鏡片外側的光發射裝置及光探測裝置；所述二次儀表的光接收放大電路由結構完全相同的兩套電路分別組成主信號電路及參考信號電路，所述的主信號電路或參考信號電路由光探測器和放大電路連接構成；所述光發射電路的發光源設置在所述傳感器架的光發射裝置內，所述主信號電路中的光探測器設置在所述傳感器架的光探測裝置內，所述參考信號電路中的光探測器設置於傳感器架的光發射裝置內。
2.根據權利要求1所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述測量接頭的管壁內設有由環狀通道構成的環形氣套，測量接頭管壁上開設有潔淨空氣進口與環形氣套貫通，環形氣套上開設有一個以上的潔淨空氣出口與測量接頭的管孔貫通。
3.根據權利要求1所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述測量接頭的管壁內設有由環狀槽構成的環形水套，測量接頭管壁上開設有冷卻水進口及冷卻水出口，分別與環形水套貫通。
4.根據權利要求1所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述主信號電路或參考信號電路的放大電路由前置放大器、第一放大器、第二放大器、採樣/保持電路及濾波器順序連接構成；所述的二次儀表還包括有同步脈衝電路，連接於光發射電路與所述採樣/保持電路之間。
5.根據權利要求1所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述光發射電路的發光源有兩個，背靠背設置，分別對準於所述主信號電路中的光探測器和參考信號電路中的光探測器。
6.根據權利要求1所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述的二次儀表還包括有光發射控制電路，由光電耦合電路構成，設置於所述單片機電路一輸出端與所述光發射電路的發射控制端間。
7.根據權利要求1或2或3所述的全流式消光煙度計，其特徵在於所述的測量接頭上還設置有散熱片。
專利摘要本實用新型涉及一種用於測量柴油發動機排氣煙度的儀器,由傳感器和二次儀表連接構成。傳感器是設置在煙管上的傳感器架,由固定裝置及兩側的測量接頭組成。測量接頭的管孔與煙管貫通,管孔內設有鏡片及光發射、探測裝置,穿過煙流的發射光被探測器接收並轉換成電信號,形成連續式測試。再由二次儀表作放大分析計算,最終顯示消光度等。測量接頭內設置環形氣套、環形水套等,和設置兩套光發射、接收、放大器等,可確保測試精度。
文檔編號G01N21/59GK2280290SQ9624128
公開日1998年4月29日 申請日期1996年11月13日 優先權日1996年11月13日
發明者沈泓, 周秋生 申請人:北京醫用天平廠