Для создания систем управления различными процессами необходимы устройства, способные преобразовывать различные физические величины в электрические сигналы. Такие устройства и называются датчиками. Поскольку величин, которые необходимо измерять в различных системах, существует множество, то и различных типов датчиков выпускается довольно много. Выходные электрические сигналы датчиков могут принадлежать к различным стандартам, поэтому вместе с собственно датчиками часто используются преобразователи, трансформирующие сигнал датчика в необходимый электрический интерфейс [1, 2].
Датчик оптической плотности (колориметр) используется для измерения проницаемости света в растворе. Преимуществом светодиодных источников света является то, что они никогда не будут нагревать исследуемый раствор.
Существует множество различных конструкций приборов типа «ИОПД-24», «LASD-1-2», «ИКВЧ» и иных, недостатками которых являются сложность конструкции, большие габариты, довольно высокая стоимость. Кроме того, при длительном контакте с дымовоздушной смесью их поверхность очень быстро загрязняется, что снижает точность их измерений. Все эти недостатки снижают возможность применения приборов-фотометров при исследованиях процессов дымогенерации и копчения. Разработанная конструкция (рис. 1) позволяет решать большинство перечисленных проблем [3, 5].
Рис. 1. Структурная схема датчика
Материалы и методы
Датчик оптической плотности дымовоздушной смеси (рис. 1) состоит из выносного измерительного блока, размещаемого в трубопроводе подачи дыма (или непосредственно в коптильной камере), микропроцессорного блока, выполняющего обработку полученных сигналов и передачу результатов на персональный компьютер (ПК) с установленным специальным программным обеспечением (ПО).
Предлагаемый датчик используется в основном в исследовательских целях, поэтому в нем предусмотрены собственные элементы индикации (табло, дисплей и т.п.), а также настройки прибора выполняются с ПК при помощи специального программного обеспечения для снижения себестоимости датчика.
Главное окно программы работы с датчиком (рис. 2) включает в себя область отображения данных (график), индикаторы величины текущего значения оптической плотности и уровня мощности, на который включен световой излучатель (лазерный модуль), а также панель настроек.
Интерфейс программного обеспечения имеет возможность изменять мощность лазерного излучателя, обеспечивая большой диапазон измерения. Данные, полученные датчиком во время изучения оптической плотности исследуемой среды, представлены на мониторе персонального компьютера в виде графика, а также сохраняются в текстовом файле. При этом полученные данные можно перенести в стандартные программы типа MS Exsel, MathCAD, MathLAB и иные для их дальнейшей обработки.
Измерительный преобразователь представляет собой расположенные друг напротив друга излучатель и приемник светового пучка. В качестве излучателя применяется лазерный модуль, а в качестве приемника – фотодиод [4].
При длительной работе датчика в дымовоздушной среде возникает проблема загрязнения его посредствам осаждения коптильных веществ на оптическую поверхность. Для устранения загрязнения и соответственно для более длительной работы излучатель и приемник помещены в цилиндрический корпус с отверстиями для прохода светового пучка. В корпус подается воздух, создавая внутри избыточное давление, тем самым он не дает коптильным веществам попадать во внутреннее пространство. При этом оптические поверхности излучателя и приемника остаются чистыми на протяжении всего периода эксплуатации прибора.
Рис. 3. Экранная форма главного окна программы работы с датчиком
В процессе работы датчика оптической плотности возможно появление погрешности в измерениях из-за постороннего фонового света. Кроме того, исследуемая среда, даже при нулевом уровне анализируемого компонента, может иметь некоторую оптическую плотность, которая также будет вызывать неточности в результатах измерений. Для получения более точных показаний и уменьшения влияния различных посторонних факторов в программном обеспечении датчика предусмотрен специальный алгоритм калибровки (рис. 3).
<
Рис. 2. Алгоритм калибровки датчика
При отключении лазерного модуля и яркости Е0 с нулевой концентрацией интересующего нас компонента в исследуемой среде алгоритм предусматривает измерения яркости фоновой засветки Ефон. Значение Е0 обязано превышать значение Ефон на определенную величину. Если этого не происходит, то поступает сигнал, сигнализирующий о неисправности датчика и невозможности дальнейшего продолжения работы. В памяти прибора сохраняются величины Е0 и Ефон и используются при дальнейшей работе прибора. Оптическую плотность исследуемой среды Сопт в ходе работы датчика рассчитывают по следующей зависимости (1):
(1)
В таблице 1 приведено соответствие показаний оптического датчика (оптической плотности, %) и массовой концентрации коптильных компонентов в газовой фазе дымовоздушной смеси.
Таблица 1
Соответствие оптической плотности реальным значениям концентрации
коптильных веществ
|
Оптическая плотность, % |
Концентрация коптильных веществ, г/м3 |
|
20 |
0,12 |
|
25 |
0,33 |
|
30 |
0,53 |
|
35 |
0,75 |
|
40 |
0,91 |
На экспериментальной установке (рис. 4) с использованием оптического датчика (рис. 1) были выявлены в процессе дымогенерации закономерности изменения оптической плотности от мощности индуктивного нагрева [6].
Рис. 4. Лабораторная установка для насыщения ароматом дыма продуктов с развитой структурой
1 – рама; 2 – коптильная камера; 3 – дымогенератор; 4 – пульт управления; 5 –нагреватель; 6 –патрубок, соединенный с эжекторным вакуум-насосом; 7 – трубопровод для подачи дыма; 8 – датчик оптической плотности
Результаты и обсуждение
При изучении экспериментальных кривых (рис. 5) видно, что при мощности P≈0,8 кВт источника индуктивной энергии наблюдается максимальный показатель оптической плотности получаемой дымовоздушной смеси.
При изучении зависимостей оптической плотности дыма от скорости движения воздушной смеси с различной мощностью источника индуктивного подвода энергии видно, что оптическая плотность возрастает при увеличении скорости до 1,5 м/с, а затем падает. Это объясняется недостаточной скоростью образования коптильных компонентов при превышении скорости движения воздушной смеси 1,5 м/с, т.е. имеет место разбавление дымовоздушной смеси свежим воздухом.
Такая закономерность проявляется при различной мощности источника индуктивного подвода энергии.
Рис. 5. Зависимость оптической плотности дыма при различной мощности источника индуктивного подвода энергии:
-О- – 1,25 кВт; -□- – 1,0 кВт; -*- – 0,75 кВт; -Δ- – 0,5 кВт
Данный датчик оптической плотности имеет следующие преимущества:
1) позволяет в процессе продолжительной работы в дымовоздушной среде предотвращать проблемы осаждения коптильных веществ на оптических поверхностях за счет того, что излучатель и приемник заключены в цилиндрические корпуса с отверстиями для прохода светового пучка; в корпуса с небольшим расходом, ограниченным дросселем, подается воздух, создавая в них небольшое избыточное давление и препятствуя тем самым попаданию коптильных веществ во внутреннее пространство;
2) позволяет оставлять чистыми поверхности излучателя и приемника на протяжении всего периода эксплуатации прибора;
3) исключает ситуации, при которых появляются погрешности в измерениях; для устранения влияния данных факторов в ПО датчика предусмотрен специальный алгоритм калибровки;
4) не имеет сложную конструкцию;
5) не имеет большие габариты;
6) довольно низкая стоимость.
Рецензенты:
Глотова И.А., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой технологии переработки животноводческой продукции ФГОУ ВПО Воронежского ГАУ, г. Санкт-Петербург;
Алексеев Г.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов пищевых производств университета ИТМО, г. Воронеж.