RU2102719C1

RU2102719C1 - Device for dispersing analysis of sizes of suspended particles

Info

Publication number: RU2102719C1
Application number: RU96107933A
Authority: RU
Inventors: В.В. Фадеев; Е.И. Поминов; И.А. Кудрявцев; В.Ю. Климентьев
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П.Королева
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: measurement technology, determination of parameters of particles of contaminating agent in working fluid, mechanical engineering and transport for diagnosis of rubbing units in machines. SUBSTANCE: output signals of photoelectric converter are analyzed to isolate local maxima, pulses are formed by amplitude equal to local maxima and then amplitude analysis of these secondary pulses is conducted. This makes it possible to increase limiting measured concentration. Device is supplemented with unit isolating local maxima composed of peak detectors 5, 6, comparators 7, 8, 9, keys 10, 11, logic OR gate 12, generator 13 of noise threshold and pulse former 14. EFFECT: expanded application field, improved functional reliability. 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, предназначено для определения параметров частиц и может быть использовано в машиностроении и на транспорте для диагностики состояния трущихся узлов машин. The present invention relates to measuring technique, is intended to determine the parameters of the particles and can be used in mechanical engineering and transport for diagnosing the state of the rubbing parts of machines.

Известен способ дисперсного анализа частиц, состоящий в том, что импульсные электрические сигналы первичного фотоэлектрического преобразователя усиливают, анализируют по амплитуде и определяют число и размеры частиц. (см. книгу C. Г. Беляева "Оптико-электронные методы измерения параметров аэрозолей. М. Энергоиздат, 1987 г.). A known method of dispersed particle analysis, consisting in the fact that the pulsed electrical signals of the primary photoelectric Converter amplify, analyze the amplitude and determine the number and size of particles. (see the book by C. G. Belyaev "Optoelectronic methods for measuring aerosol parameters. M. Energoizdat, 1987).

Недостатком указанного способа является искажение получаемой информации из-за совпадений частиц в чувствительном объеме и, вследствие этого, низкая величина предельно измеряемой концентрации. The disadvantage of this method is the distortion of the information obtained due to the coincidence of particles in the sensitive volume and, as a result, the low value of the maximum measured concentration.

Известно устройство для анализа размеров частиц в дисперсионной среде, реализующее указанный способ, включающее фотоэлектрический преобразователь и соединенные с ним усилитель, амплитудный анализатор и регистратор числа и размеров частиц. (см. книгу С.Г.Беляева "Оптико-электронные методы измерения параметров аэрозолей. М. Энергоиздат, 1987 г.)
Недостатком указанного устройства является искажение получаемой информации вследствие того, что при высоких концентрациях частиц происходит наложение электрических импульсов и амплитудный анализатор неверно регистрирует число и амплитуду импульсов.A device for analyzing particle sizes in a dispersion medium is known that implements the indicated method, including a photoelectric converter and an amplifier connected to it, an amplitude analyzer and a recorder for the number and size of particles. (see the book by S. G. Belyaev "Optoelectronic methods for measuring aerosol parameters. M. Energoizdat, 1987)
The disadvantage of this device is the distortion of the information obtained due to the fact that at high particle concentrations there is an imposition of electrical pulses and the amplitude analyzer incorrectly registers the number and amplitude of the pulses.

Близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ дисперсного анализа параметров частиц, описанный в а.с. N 1516889 (МКИ G 01 N 15.02, Бюл. N 39, 1989 г.). Согласно этому способу применяется принудительное прерывание импульса, если его длительность превышает длительность одиночного импульса, и отбор для анализа только тех импульсов, которые отстоят от последующих и предыдущих на время, большее, чем время прерывания. Таким образом, из каждого импульса, длительностью больше некоторой величины, определяемой, как длительность одиночного импульса, формируется серия импульсов количеством, на единицу большем целой части отношения длительности входного импульса к указанной величине. Close in technical essence to the claimed invention is a method of dispersed analysis of particle parameters described in A.S. N 1516889 (MKI G 01 N 15.02, Bull. N 39, 1989). According to this method, a forced interruption of a pulse is applied if its duration exceeds the duration of a single pulse, and selection is made for analysis of only those pulses that are separated from subsequent and previous ones by a time longer than the interruption time. Thus, from each pulse longer than a certain value, defined as the duration of a single pulse, a series of pulses is formed by the number, by one greater than the whole integer part of the ratio of the input pulse duration to the specified value.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство дисперсионного анализа параметров частиц, описанное в а/с N 1516889 (МКИ G 01 N 15.02, Бюл. N 39, 1989 г.). Описанное устройство представляет собой последовательно соединенные фотоэлектрический датчик с усилителем, схему, обеспечивающую описанное прерывание входных импульсов, и амплитудный анализатор. Closest to the technical nature of the claimed device is a dispersion analysis of particle parameters described in a / s N 1516889 (MKI G 01 N 15.02, Bull. N 39, 1989). The described device is a series-connected photoelectric sensor with an amplifier, a circuit that provides the described interruption of the input pulses, and an amplitude analyzer.

Недостатком указанного способа и устройства является искажение получаемой информации о концентрации частиц и их размере из-за того, что в чувствительном объеме датчика частицы движутся с различными скоростями и, следовательно, электрические импульсы на выходе фотоприемника имеют различную длительность, и принудительное прерывание через определенный промежуток времени может привести к тому, что импульс, длительность которого превышает величину, определяемую как длительность одиночного импульса, вызовет формирование двух или более импульсов на входе амплитудного анализатора, в случае же более коротких импульсов возможен пропуск частиц. Таким образом, описанные способ и устройство не учитывают возможных различий в длительности импульсов на выходе фотоприемника, имеющих место в некоторых конструкциях фотоэлектрических датчиков, что приводит к искажениям получаемой информации. The disadvantage of this method and device is the distortion of the obtained information about the concentration of particles and their size due to the fact that particles move at different speeds in the sensitive volume of the sensor and, therefore, the electrical pulses at the output of the photodetector have different durations, and forced interruption after a certain period of time can lead to the fact that the pulse, the duration of which exceeds the value defined as the duration of a single pulse, will cause the formation of two or more and pulses at the input of the amplitude analyzer, in the case of shorter pulses can pass particles. Thus, the described method and device do not take into account possible differences in the duration of the pulses at the output of the photodetector, which occur in some designs of photoelectric sensors, which leads to distortion of the received information.

Поставлена задача разработать такой способ и устройство, которые учитывали бы указанные различия длительностей импульсов и тем самым повышали бы точность измерения концентрации загрязнителя. The task is to develop such a method and device that would take into account the indicated differences in the pulse durations and thereby increase the accuracy of measuring the concentration of the pollutant.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что импульсные электрические сигналы от фотоэлектрического преобразователя от прохождения частицы в чувствительном объеме усиливают, согласно изобретению, производят выделение локальных максимумов в анализируемых импульсах и формируют отдельные импульсы амплитудой, равной величине этих максимумов, которые затем подвергают амплитудному анализу с целью определения размеров частиц. The problem is achieved in that in the method consisting in the fact that the pulsed electrical signals from the photoelectric transducer from the passage of particles in a sensitive volume amplify, according to the invention, local peaks in the analyzed pulses are extracted and individual pulses are formed with an amplitude equal to the magnitude of these peaks, which then subjected to amplitude analysis to determine particle sizes.

В устройстве, содержащем фотоэлектрический датчик, усилитель и амплитудный анализатор, согласно изобретению, введено устройство выделения локальных максимумов, состоящее из пиковых детекторов, компараторов, ключей, элемента "логическое или", генератора порога шума и формирователя импульса, при этом к выходу усилителя подключено устройство выделения локальных максимумов, состоящее из пиковых детекторов, компараторов, ключей, элемента "логическое или", генератора порога шума и формирователя импульса, при этом выход усилителя подключен ко входу первого пикового детектора, первому входу третьего компаратора, входу первого ключа и второму входу первого компаратора, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, а дополнительный вход соединен с выходом генератора порога шума, причем выход первого пикового детектора подключен к первому входу первого компаратора и входу второго ключа, выход которого соединен со входом амплитудного анализатора через буферный усилитель, а управляющий вход второго ключа подключен к выходу элемента "логическое или", второй вход которого подключен к выходу третьего компаратора, второй вход которого подключен к выходу генератора порога шума, при этом первый вход элемента "логическое или" соединен с выходом второго компаратора, второй вход которого подключен к выходу второго пикового детектора, вход которого соединен с выходом первого ключа, выход которого также соединен со вторым входом второго компаратора, дополнительный вход которого подключен к выходу генератора порога шума, кроме того выход элемента "логическое или" соединен также со входом формирователя импульса, выход которого соединен с управляющими входами обоих пиковых детекторов. In a device comprising a photoelectric sensor, an amplifier and an amplitude analyzer, according to the invention, a local maximum pickup device is introduced, consisting of peak detectors, comparators, keys, a logical or element, a noise threshold generator and a pulse shaper, and a device is connected to the amplifier output allocation of local maxima, consisting of peak detectors, comparators, keys, a logical or element, a noise threshold generator and a pulse shaper, while the amplifier output is connected to the input of the first peak detector, the first input of the third comparator, the input of the first key and the second input of the first comparator, the output of which is connected to the control input of the first key, and the additional input is connected to the output of the noise threshold generator, the output of the first peak detector connected to the first input of the first comparator and the input of the second key, the output of which is connected to the input of the amplitude analyzer through a buffer amplifier, and the control input of the second key is connected to the output of the logical or element, the second input to which is connected to the output of the third comparator, the second input of which is connected to the output of the noise threshold generator, while the first input of the logical or element is connected to the output of the second comparator, the second input of which is connected to the output of the second peak detector, the input of which is connected to the output of the first key, the output of which is also connected to the second input of the second comparator, the additional input of which is connected to the output of the noise threshold generator, in addition, the output of the "logical or" element is also connected to the input of the importer ice, the output of which is connected to the control inputs of both peak detectors.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства. The invention is illustrated by the following drawings, where in FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed device.

На фиг. 2 изображена структурная схема устройства выделения локальных максимумов. In FIG. 2 shows a block diagram of a device for isolating local maxima.

На фиг. 3 изображен примерный вид сигнала датчика, вызванного наложением 3-х частиц. In FIG. 3 shows an exemplary view of a sensor signal caused by the imposition of 3 particles.

На фиг. 4 и 5 изображены сигналы на выходах компараторов. In FIG. 4 and 5 show the signals at the outputs of the comparators.

На фиг. 6 изображен выходной сигнал устройства. In FIG. 6 shows the output signal of the device.

Суть предлагаемого способа состоит в предварительном анализе формы импульсов на выходе фотоприемника с последующим формированием вторичных импульсов, поступающих на вход амплитудного анализатора, по которым определяется дисперсный состав загрязнителя и его концентрация. Таким образом, производят анализ специально сформированных импульсов, величиной, соответствующей максимумам выходного импульса фотоприемника. С помощью устройства выделения локальных максимумов производят фиксацию локальных максимумов и, затем, формируют выходные импульсы в моменты регистрации следующих за максимумом минимумов, причем их величина равна величине соответствующих максимумов. Если на вход поступает одиночный импульс, то его максимум фиксируют в момент, когда входное напряжение опустится ниже заранее установленного порога. Фиксируя эти импульсы, как отдельные, достигают увеличения точности определения числа частиц. При анализе существующими способами эти импульсы будут зарегистрированы, как один импульс с амплитудой, равной либо абсолютному максимуму, либо первому локальному максимуму, то значительно снижает точность определения концентрации загрязнителя. При анализе способом, описанным в а. с. N 1516889, будет достигнуто увеличение точности измерения, однако наличие электрических импульсов различной длительности приведен к неправильному определению концентрации загрязнителя. The essence of the proposed method is a preliminary analysis of the shape of the pulses at the output of the photodetector, followed by the formation of secondary pulses arriving at the input of the amplitude analyzer, which determines the dispersed composition of the pollutant and its concentration. Thus, the analysis of specially formed pulses is performed, the value corresponding to the maxima of the output pulse of the photodetector. Using the device for isolating local maxima, local maxima are fixed and, then, output pulses are generated at the moments of registration of the minima following the maximum, and their value is equal to the corresponding maxima. If a single pulse is input, then its maximum is fixed at the moment when the input voltage drops below a predetermined threshold. By fixing these pulses as separate ones, they achieve an increase in the accuracy of determining the number of particles. When analyzing existing methods, these pulses will be recorded as a single pulse with an amplitude equal to either the absolute maximum or the first local maximum, which significantly reduces the accuracy of determining the concentration of the pollutant. When analyzed by the method described in a. from. N 1516889, an increase in the accuracy of measurement will be achieved, however, the presence of electrical pulses of different durations leads to an incorrect determination of the concentration of the pollutant.

Устройство для осуществления способа состоит из последовательно соединенных датчика 1 усилителя 2, устройства 3 выделения локальных максимумов и амплитудного анализатора 4. Устройство 3 выделения локальных максимумов состоит из пиковых детекторов 5 и 6, компараторов 7, 8 и 9, ключей 10 и 11, элемента "логическое или" 12, генератора порога шума 13, формирователя импульса 14 и буферного усилителя 15. Выход усилителя 2 подключен ко входу пикового детектора 5, ключа 10, первому входу компаратора 9 и второму входу компаратора 7. Выход пикового детектора 5 соединен с первым входом компаратора 7, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа 10 и входу ключа 11. Выход ключа 11 соединен со входом буферного усилителя 15. Выход буферного усилителя 15 подключается ко входу амплитудного анализатора 4. Второй вход компаратора 8 соединен с выходом пикового детектора 6, а выход подключен ко входу элемента "логическое или" 12, второй вход которого подключен к выходу компаратора 9. Второй вход компаратора 9 подключен к выходу генератора порога шума 13. Выход элемента "логическое или" 12 соединен со входом формирователя импульса 14, выход которого соединен с управляющими входами обоих пиковых детекторов 5 и 6 и управляющим входом ключа 11. Выход генератора порога шума соединен также с дополнительными входами компараторов 7 и 8. A device for implementing the method consists of a series-connected sensor 1 of an amplifier 2, a device 3 for isolating local maxima and an amplitude analyzer 4. A device 3 for isolating local maxima consists of peak detectors 5 and 6, comparators 7, 8 and 9, keys 10 and 11, the element logical or "12, a noise threshold generator 13, a pulse shaper 14 and a buffer amplifier 15. The output of the amplifier 2 is connected to the input of the peak detector 5, key 10, the first input of the comparator 9 and the second input of the comparator 7. The output of the peak detector 5 is connected nen with the first input of the comparator 7, the output of which is connected to the control input of the first key 10 and the input of the key 11. The output of the key 11 is connected to the input of the buffer amplifier 15. The output of the buffer amplifier 15 is connected to the input of the amplitude analyzer 4. The second input of the comparator 8 is connected to the peak output detector 6, and the output is connected to the input of the logical or 12 element, the second input of which is connected to the output of the comparator 9. The second input of the comparator 9 is connected to the output of the noise threshold generator 13. The output of the logical or 12 element is connected to the input pulse generator 14, the output of which is connected to the control inputs of both peak detectors 5 and 6 and the control input of the key 11. The output of the noise threshold generator is also connected to additional inputs of the comparators 7 and 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На вход пикового детектора 5 поступает электрический импульс с выхода усилителя 2, вход которого подключен к выходу фотоэлектрического датчика, одновременно этот же импульс поступает на вход компаратора 7, причем с целью исключения ложных срабатываний на дополнительный вход компаратора 7 подается напряжение с генератора порога шума 13, в сумме с напряжением на выходе пикового детектора формирующее порог переключения для компаратора 7. Сигнал на выходе компаратора 7 появится, когда напряжение на втором входе компаратора станет меньше максимума, зафиксированного пиковым детектором 5, на величину, равную напряжению на выходе генератора порога шума 13. Сигнал с выхода компаратора 7 открывает ключ 10Ю через который сигнал поступает на вход пикового детектора 6, фиксирующего минимум входного сигнала, и компаратора 8, порог переключения которого определяется с учетом выходного напряжения генератора порога шума 13 аналогично компаратору 7. Таким образом, сигнал на выходе компаратора 8 появляется в момент регистрации локального минимума, следующего за максимумом, т.е. когда напряжение на втором входе компаратора 8 станет больше минимума на величину, определяемую генератором шума 13. Данный сигнал через элемент 12 отпирает ключ 11, на выходе которого формируется импульс, амплитудой равной предшествующему локальному максимуму и через буферный усилитель 15 поступает на вход амплитудного анализатора 4. Формирователь импульса 14 формирует управляющий импульс с задержкой, величина которой определяет длительность выходного импульса; управляющий импульс сбрасывает пиковые детекторы 5 и 6. Для обеспечения регистрации последнего максимума в группе, а также одиночного импульса, используется принудительный сброс пиковых детекторов при срабатывании компаратора 9 через элемент "логическое или" 12. The input of the peak detector 5 receives an electric pulse from the output of the amplifier 2, the input of which is connected to the output of the photoelectric sensor, at the same time the same pulse is fed to the input of the comparator 7, and in order to eliminate false alarms, the voltage from the noise threshold generator 13 is supplied to the additional input of the comparator 7, in total with the voltage at the output of the peak detector forming a switching threshold for comparator 7. The signal at the output of comparator 7 will appear when the voltage at the second input of the comparator becomes less than max the peak recorded by the peak detector 5 by an amount equal to the voltage at the output of the noise threshold generator 13. The signal from the output of the comparator 7 opens the key 10 through which the signal is fed to the input of the peak detector 6, fixing the minimum of the input signal, and the comparator 8, the switching threshold of which is determined taking into account the output voltage of the noise threshold generator 13, it is similar to comparator 7. Thus, the signal at the output of comparator 8 appears at the moment of recording a local minimum following the maximum, i.e. when the voltage at the second input of the comparator 8 becomes greater than the minimum by the amount determined by the noise generator 13. This signal through the element 12 unlocks the key 11, the output of which is generated by a pulse with an amplitude equal to the previous local maximum and is fed to the input of the amplitude analyzer 4 through the buffer amplifier 15. The pulse shaper 14 generates a control pulse with a delay, the value of which determines the duration of the output pulse; the control pulse resets the peak detectors 5 and 6. To ensure the registration of the last maximum in the group, as well as a single pulse, a forced reset of the peak detectors is used when the comparator 9 is triggered through the logical or 12 element.

Моделирование работы устройства на ЭВМ показало, что возможно увеличение предельной измеряемой концентрации с 1000 см^-3 до примерно 5000 см^-3 при той же величине погрешности в определении концентрации, вызванной влиянием совпадений. Анализ выходных импульсов устройства выделения локальных максимумов производят стандартным способом с помощью подсчета по 5 размерным фракциям.Modeling the operation of the device on a computer showed that it is possible to increase the maximum measured concentration from 1000 cm ^-3 to about 5000 cm ^-3 with the same error in determining the concentration caused by the influence of coincidences. Analysis of the output pulses of the device for isolating local maxima is carried out in a standard way by counting 5 dimensional fractions.

Claims

A device for dispersive analysis of particle sizes, containing a photoelectric sensor and an amplifier and an amplitude analyzer connected in series with it, characterized in that a local maximum extraction device is introduced into it, consisting of peak detectors, comparators, keys, a LOGIC OR element, a noise threshold generator, and a shaper pulse, while the amplifier output is connected to the input of the first peak detector, the first input of the third comparator, the input of the first key and the second input of the first comparator, the output which is connected to the control input of the first key, and the additional input is connected to the output of the noise threshold generator, and the output of the first peak detector is connected to the first input of the first comparator and the input of the second key, the output of which is connected to the input of the amplitude analyzer through a buffer amplifier, and the control input of the second key connected to the output of the LOGIC OR element, the second input of which is connected to the output of the third comparator, the second input of which is connected to the output of the noise threshold generator, while the first input LOGIC OR is connected to the output of the second comparator, the second input of which is connected to the output of the second peak detector, the input of which is connected to the output of the first key, the output of which is also connected to the second input of the second comparator, the additional input of which is connected to the output of the noise threshold generator, in addition, the output of the LOGIC OR element is also connected to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the control inputs of both peak detectors.