На відміну від аналізу Фур'є хвильковий аналіз не виражає досліджуваних функцій через многочлени, а тільки через деякі спеціальні функції - хвильки, утворені з постійної функції, названої материнською хвилькою, яка піддається багатократним трансляціям. Вони відносяться як до часу, так і до частоти, допускаючи ближчі зв'язки між досліджуваною функцією (представленою функцією) та її коефіцієнтами. Таким способом отримано більшу числову стабільність у процесі відтворення функції.

На практиці метою хвилькового аналізу є знаходження материнських функцій і способів їх отримання за допомогою числових методів. Кожне завдання, що використовує швидке перетворення Фур'є (Fast Fourier Transform), може бути сформульоване при допомозі хвильок більшої просторової інформації (про місцезнаходження), так і частотної. Цим способом замість отримання спектра інтенсивність\частота можна отримати хвильковий спектр (frequency versus wavelet spectrum).

Хвильковий аналіз є дуже корисним знаряддям для аналізу змінних процесів, особливо нестаціонарних сигналів із значним зашумленням (відтворення оригінального сигналу, усунення шумів). Ця теорія успішно застосовується для аналізу невизначених процесів, аналізі картин, у системах комунікації і перетворенні сигналів.

Шостий розділ дисертації присвячено результатам вимірювань. Виміри були здійснені за допомогою пристрою власної конструкції. Конструкція кожного з них була змінена. Виміри були проведені у котлі ОР-650 з пристінними пальниками. Kожний вимірювальний зонд охолоджувався повітрям і оснащувався контрольною термопарою. Охолоджуюче повітря виконує також очистку оптичної частини, тому повітря для очистки також підлягало очищенню. Зонд встановлений в оглядовому отворі пальника - перпендикулярно до осі пальника.

Для вибору відповідного світловоду були проведені виміри на пальнику “пропан-бутан”. В результаті теоретичного аналізу визначено, що найбільш відповідним є світловід PCS 200\380 мкм. Оскільки світловід містить домішки, при тривалій роботі деструктивна дія ультрафіолету може привести до механічного пошкодження світловоду.

Дуже важливим параметром полум'я є температура чи пропорційний їй сигнал. Виміри були виконані за допомогою зонда, поміщеного в оглядовому отворі пальника. Виявилось, що найбільші зміни спостерігались для положення 30? відносно осі пальника,отже зонд був направлений у нижню частину полум'я. Такий результат підтверджують дослідження, проведені над т.зв. фотокомірками, які були поміщені також у нижню частину полум'я.

В результаті проведених вимірів є очевидним, що найбільш вразливими на зміни є три перші зони. Крім цього, помітним є вплив вхідних факторів. Всі представлені дослідження носять пізнавальний характер, але, на жаль, непридатні для обслуговування котлів. Тому для практичної реалізації був прийнятий графічний спосіб представлення результатів, які будуть придатні для обслуговування промислового котла.

У такому представленні результатів були визначені границі значень правильної і неправильної роботи пальника, перевірені експериментом на кожному об'єкті. Це визначення є дуже важливим тому, що одночасно враховується у системі забезпечення котла. Це означає, що перехід за цю границю спричинить виключення пальника.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

Розроблені теоретичні основи методів контролю високотемпературного спалювання та запропоновані реальні структури та технічні засоби їх реалізації, основані на застосуванні світловодних та оптоелектронних елементів, що є новим науково-технічним напрямком.

Вперше теоретично та експериментально підтверджено можливість та необхідність контролю теплових процесів спалювання оптичними методами за розподіленням температури полум'я та його пульсацією.

Вперше розроблено багатоканальний вимірювальний пристрій з оптимізованою конструкцією світловодного сенсора та елементів з'єднання системи світловод-детектор, що забезпечує вимірювання температури та пульсації полум'я з швидкодією 0 … 10 кГц з точністю 0,1 %, при довільній технології спалювання.

Виявлені оптимальні конструкції розміщення світловодів у робочому стані та кут входження світлового сигналу в світловід в залежності від реальних процесів спалення.

Для контролю високотемпературного спалювання при ультрафіолетовому випромінюванні джерела тепла проведений аналіз та обгрунтування вибору раціональних конструктивних параметрів кварцових світловодів зі ступінчастим профілем показника заломлення.

Розроблено реальні моделі світловодів для визначення їх оптимальних конструктивних розмірів з точки зору контролю теплових процесів згоряння. Проведено геометричний аналіз світловодів та визначена числова апертура для ступінчастих світловодів - 0,26, для градієнтних світловодів - 0,20, для одномодових світловодів - 0,15.

Теоретично визначено та експериментально підтверджено значення міжмодової дисперсії, яка для ступінчастих світловодів складає ₀ = 27,6 мс/км а для градієнтних світловодів - ₀ = 79,58 мс/км, що дозволило визначити довжину світловодного трансмісійного кола, яка складає порядок 10 м.

Для прецизійного визначення умов трансмісії був проведений аналіз, базований на рівняннях Максвелла. Він дозволяє визначити постійну поширення і нормалізовану частоту , що рівна відсікаючій частоті = 2,405.

Досліджена лінійність світловодів в залежності від потужності. Визначена критична потужність для ступінчастого світловоду діаметром 200 мкм при якій світловід забезпечує цілісність сигналу, яка складає 1,6 Вт, що необхідно враховувати при проектуванні вимірювальних пристроїв. При цьому для підвищення надійності слід не перевищувати потужність більш ніж 0,8P_max.

Визначені параметри моделі для лінійного світловоду, що необхідно враховувати при проектуванні вимірювальних пристроїв. При під`єднанні діодів LED слід враховувати, що випромінююча поверхня є більшою від осердя світловоду, отже існують втрати на з'єднання. З повної потужності випромінювання, що підводиться до торця світловоду з термічного джерела, використовується тільки та її частина, що міститься у променях, що падають під кутом не більшим кута відбиття. Узгодження світловоду з термічним джерелом за допомогою лінзи є менш ефективним від безпосереднього.

Виявлені закономірності зміни інформації теплових величин при спалюванні а також кута сканування джерела тепла від температури, коефіцієнта абсорбції, коефіцієнта емісії і оптичної глибини полум'я.

Проведена оптимізація світловодного сенсора методом скінченних елементів. Раціональна конструкція форми зонда вибрана шляхом моделювання шести форм. Для вимірювання пульсації та інтенсивності свічення полум'я використано два вимірювальні канали: логарифмічний (LOG100) і лінійний (ОР07), що забезпечує вимірювання температури та пульсації з похибкою 0,1%.

В основі розроблених конструкцій світловодних сенсорних пристроїв контролю теплових процесів спалення лежать результати теоретичних та експериментальних досліджень, які були впроваджені в технічні процеси спалювання рідкого та твердого палива на електростанції “Козеніце” (Польша), що забезпечило можливість швидкого контролю та керування тепловими процесами спалювання, контролю спалювання кожного пальника при багатопальникових конструкціях, що забезпечує покращення екологічних умов спалювання.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Wуjcik W. Њwiatіowody - analiza i zastosowania.- Lublin: Wydawnictwo Lubelskiego Towarzystwa Naukowego, 1997.- 75 s.

2.Аналогова мікросхемотехніка вимірювальних та сенсорних пристроїв/ Вуйцік В., Голяка Р., Каліта В., Невмержицька О., Лопатинський І./ Під ред. З. Готри, Р. Голяки.- Львів: Видавництво Державного університету "Львівська політехніка",1999.- 360 c.

3.Golijaka R., Gotra O., Kalita W., Lopatinskij I., Wуjcik W. Analogowe ukіady mikroelektroniczne do zastosowaс w urz№dzeniach pomiarowych i czujnikach.-Lublin: Wydawnictwo Lubelskiego Towarzystwa Naukowego, 2000.- 419 s.

4.Wуjcik W., Hotra Z., Komada P., Kotyra A., Smolarz A., Stadnyk B. Mikro i optoelektroniczne czujniki w pomiarach procesуw cieplnych.- Lublin: Wydawnictwo Lubelskiego Towarzystwa Naukowego.- 2001.- 356 s.

5.Вуйцік В., Готра З. Світловоди для контролю роботи пилового пальника// Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Сер. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. -2000.- №404.- С.39-51.

6.Вуйцік В., Готра З., Котира А., Дук М. Спектральний перетворювач для визначення нестабільності полум'я// Вісник Вінницького Державного Університету.- 2001.- №1.- С.65-67.

7.Вуйцік В., Готра З., Смоляж А., Котира А., Камуда П. Розроблення світловодних сенсорів для контролю високотемпературних процесів// Вимірювальна техніка та метрологія, Міжвідомчий науково-технічний збірник.- Львів: Видавництво Національного Університету "Львівська політехніка".- 2000.- № 57.- С.87-89.

8.Вуйцік В., Котира А., Готра З., Смоляж А. Оптоелектронний перемикач для комп'ютерної техніки// Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Сер. Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика- 2000.- №398.- С.109-115.

9.Готра О., Вуйцік В., Войцеховски Ц., Котира А., Камуда П., Смоляж А., Стадник Б. Односмуговий багатоканальний світловодний зонд для вимірювання температури полум'я// Вимірювальна техніка та метрологія, Міжвідомчий науково-технічний збірник.- Львів: Видавництво Національного Університету "Львівська політехніка".- 2000.- №57.- С.51-55.

10.Dacka Cz., Gotra Z., Wуjcik W. The stability of two-channel distributed parameters with the loss control system//. Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки- 2000.- № 393.- Р. 109-118.

11.Kotyra A., Wуjcik W., Smolarz A., Wojciechowski C. Application of wavelet transformation for analysis of measurements in fibre-optic flame monitoring system// Lightguides and their applications.- SPIE.- 2000.- V.4239.- P.94-99.

12.Krolopp W., Miskowicz J., W. Wуjcik Mathematical models for basic elements in an electro-optical system designed for sparkless feeding of small-power receivers with electrical energy// Zeszyty naukowe Politechniki Јуdzkiej Elektryka.- 1996.- z. 89.- S. 95-124.

13.Krolopp W.J., Wуjcik W., Kotyra A., Przyіucki S., Smolarz A. The light source to optical fibre coupling// Zeszyty Naukowe Politechniki Јуdzkiej, Elektryka.- 1998.- z. 90.-P. 1-38.

14.Smolarz A., Wуjcik W., Kotyra A., Wojciechowski C., Komada P. Fibre optic monitoring system// Lightguides and their applications.- SPIE.- 2000.- V.4239.-P.127-130.

15.Wуjcik W., Biegaсski T., Kotyra A., Smolarz A. Forecasting of changes of flame flickering in coal flame burner// Technology and Applications of Lightguides.- SPIE.-1997.-V. 3189.- P. 100-109.

16.Wуjcik W., C№kaіa S., Kotyra A., Smolarz A. Analysis of the operation of an electrooptical Pockels effect sensor// Technology and Applications of Lightguides.- SPIE.- 1997.- V. 3189.- P. 110-121.

17.Wуjcik W., Kotyra A., Przyіucki S., Smolarz A., Szymczak J.T. Evanescent field absorption sensor// Optoelectronic and Electronic Sensors II.- SPIE.- V. 3054.- 1997.- P.132 136.

18.Wуjcik W., Smolarz A., Kotyra A., Wojciechowski C., Komada P. Optimisation of optical fibre probe for flame monitoring by application of finite elements method// Lightguides and their applications.- SPIE.- 2000.-V. 4239.- P.133-139.

19.Wуjcik W., Smolarz A., Kotyra A. Aplication of finite elements method for optimisation of optical fibre probe designed to operate in harsh conditio// Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки.- 2000 .- № 393.- S. 96-103.

20.Wуjcik W., Smolarz A. The desing of an optical fiber power supplying link // Proceedings of SPIE.- 1993.- V.1504.- P. 292-297.

21.Wуjcik W., Gotra O., Duk M., Kotyra A., Przyіucki S. Optical measurement system for real-time estimation of gas pollutants' concentration based on artifical neural network// Ukrainian Journal of Physics Optics.- 2001.- V.2, №1.- Р.46-52.

22.Wуjcik W., Gotra O., Kotyra A. Application of wavelet transform in analysis of signals obtained from optoelectronic device// Ukrainian Journal of Physics Optics.- 2001.- V.2, №1.- Р.40-45.

23.Wуjcik W., Tymburski K. Zastosowanie wielowymiarowych szeregуw czasowych do opisu zestawu mieszaniny surowcowej// Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Pіynуw Politechniki Wrocіawskiej.- 1988.- Z.31/5.- S. 325-328.

24.Wуjcik W. Application of PCS fibres for multiple zone flame measurements in industrial power// Optica Applicata.- 1999.- V. XXIX, №.1-2.- Р. 201-212.

25.Wуjcik W. Flame flicker measurement in industrial conditions// Optoelectronic and Electronic Sensors III.- SPIE.- 1999.- V. 3730.- Р. 158-166.

26.Wуjcik W. Optical fibre system for flame monitoring in energetic boiler// Technology and Applications of Lightguides.- SPIE.- 1997.- V. 3189.- P. 74-82.

27.Wуjcik W. Pomiary pulsacji pіomienia w przemysіowych kotіach energetycznych// Elektronizacja.- 1998.- № 11.- S. 24-26.

28.Wуjcik W. Stochastic model of a mine// Zeszyty Naukowe Instytutu Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocіawskiej.- Wrocіaw.- 1986.- № 74/31.- Р. 199-203.

29.Zientkiewicz J.K., Lach Z., Wуjcik W., Latocha T. Fiber optics for security systems, telemetry and sensing networks.- Lublin: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, 1994.- P. 177-190.

30.Patent nr A1 (21) 330937. Sposуb wykrywania oderwania siк pіomienia od wieсca niskoemisyjnego palnika wirowego i czujnika do tego sposobu. Wуjcik W., Kotyra A., Smolarz A.; Zgіoszono 18.01.1999; Opublikowano 31.07.2000; Biuletyn Urzedu Patentowego nr 16 (694) .-2000.- S.3.

31.Patent nr A1 (21) 332263. Ukіad pomiarowy do monitorowania pracy palnikуw naњciennych. Wуjcik W., Gotra Z., Kotyra A., Smolarz A.; Zgіoszono 26.03.1999. Opublikowano 09.10.2000; Biuletyn Urzedu Patentowego nr 21 (699).- 2000.- S. 43.

32.Patent nr A1 (21) 333854. Swiatіowodowy czujnik zaniku plomenia w pojedynczym palniku. Wуjcik W., Gotra Z., Kotyra A., Smolarz A.; Zgіoszono 17.06.1999. Opublikowano 18.12.2000; Biuletyn Urzedu Patentowego nr 26 (704) .-2000.- S. 59.

АНОТАЦІЯ

Вуйцік В.Ч. Методи контролю теплових параметрів процесів спалювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин.

Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів контролю процесів спалювання в промислових енергетичних котлах. Базовими параметрами, які характеризують цей процес автором запропоновані є пульсація полум'я та інтенсивність його свічення, які пропорційні до температури згорання. Розроблені методи контролю продуктів спалювання (SO₂, NO₂). Розроблені методи та засоби для жорстких умов експлуатації на основі світловодної техніки та нових методів аналізу сигналу: нейронних мережах, хвилькових перетворень, які мають значні переваги над перетвореннями Фур'є, особливо в умовах стохастичних змін.

Проведений аналіз та дослідження вибору світловодів, конструкції вимірювальних головок та вимірювальних схем вимірювальних систем процесів спалювання.

Виявлені закономірності зміни інформації теплових величин при спалюванні, а також розроблені моделі процесів контролю кута свічення джерела тепла від температури, коефіцієнта абсорбції, коефіцієнта емісії і оптичної глибини полум'я та ін.

Проведена оптимізація світловодних сенсорів методом скінчених елементів.

Раціональні конструкції зонда вибрані шляхом моделювання шести форм. Для вимірювання пульсації та інтенсивності свічення полум'я використано два вимірювальні канали - логарифмічний (LOG100) і лінійний (ОР07), що забезпечує вимірювання температури та пульсації з похибкою 0,1% .

Результати впроваджені на теплових електростанціях.

Ключові слова: процес спалювання, температура спалювання, полум'я, котел, пульсація, інтенсивність свічення, світловоди, нейронна мережа, хвилькове перетворення.

АННОТАЦИЯ

Вуйцик В.Ч. Методы контроля тепловых параметров процессов сжигания. _ Рукопись.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.04 - устройства и методы измерения тепловых величин.

Национальный университет ”Львівська політехніка”, Львов, 2001.

Диссертация посвящена разработке методов и средств контроля процессов сжигания в промышленных энергетических котлах. Автором предложены базовые параметры, характеризующие этот процесс: пульсация пламени и интенсивность его свечения, пропорциональные температуре сгорания. Разработаны методы контроля продуктов сжигания (SO₂, NO₂) в условиях эксплуатации действующих котлов на основе световодной техники. Предложены и обоснованы новые методы анализа сигнала: нейронные сети, волновые преобразования, имеющие значительные преимущества по сравнению с преобразованиями Фурье, особенно в условиях стохастических изменений.

Впервые разработаны теоретические и экспериментальные методы контроля тепловых процессов сжигания по распределению интенсивности свечения пламени и его пульсации на основе световодной техники. Предложены оптимальные конструкции световодных приборов с возможностью долгосрочной работы в особо сложных условиях эксплуатации. Для контроля качества горения в котлах с целью увеличения разрешающей способности измерений разработана рациональная конструкция соединения световод-детектор, в котором количество каналов определяется размерами пламени.

Разработаны математические модели реальных световодов для определения их оптимальных конструктивных размеров с точки зрения контроля тепловых процессов сжигания. Проведено моделирование ступенчатых, градиентных световодов. Для прецизионного определения условий трансмиссии был проведен анализ решений уравнений Максвелла и определены постоянная распространения и нормализованная частота. Осуществлен геометрический анализ световодов и определена числовая апертура для ступенчатых, градиентных и одномодовых световодов (0,26, 0,2 и 0,15 соответственно). Экспериментально подтверждено теоретическое значение межмодовой дисперсии, составляющей для ступенчатых световодов ₀=27,6 мс/км, а для градиентных световодов - ₀=79,58 мс/км, что позволило определить длину световодной трансмиссионной цепи (порядка 10 м). Исследована линейность световодов в зависимости от мощности. Определена критическая мощность для ступенчатого световода диаметром 200 мкм, составляющая 1,6 Вт, при которой световод обеспечивает целостность сигнала, что необходимо учитывать при проектировании измерительных устройств. При этом для повышения надежности не следует превышать мощность более чем 0,8 Р_max.

Определены закономерности изменения информации тепловых величин при сжигании, а также угла свечения источника тепла от температуры, коэффициента абсорбции, коэффициента эмиссии и оптической глубины пламени.

Проведена оптимизация световодного сенсора методом конечных элементов. Рациональная конструкция зонда выбрана путем моделирования шести форм. Для измерения пульсации и интенсивности свечения пламени использовано два измерительных канала - логарифмический (LOG100) и линейный (ОР07), что обеспечивает измерение температуры и пульсации с погрешностью 0,1%.

В основе разработанных конструкций световодных сенсорных устройств контроля тепловых процессов сжигания лежат результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедренные в технические процессы сжигания жидкого и твердого топлива на электростанции “Козеницe”, что обеспечило возможность быстрого контроля и управления тепловыми процессами сжигания и улучшение экологических условий сжигания.

Сравнение предложенного в работе метода с традиционными измерениями с помощью термопар и ультразвуковой термометрии показали, что метод более информативен и оперативен.

Ключевые слова: процесс сжигания, температура сжигания, пламя, котел, пульсация, интенсивность свечения, световоды, нейронная сеть, волновые преобразования.

ANNOTATION

W. Wojcik. Methods of control of heat parameters of combustion processes. _ Manuscript.

Thesis for scientific degree of the doctor of technical sciences on speciality 05.11.04 - Devices and methods of heat values measurements.

National University “Lvivska Politechnika”, Lviv, 2001.

Thesis is dedicated to elaboration of methods and means of control of processes of combustion in industrial energetic boilers. The basic parameters that characterise this process are pulsation of flame and intensity of its lighting that are proportional to the temperature.

Methods of control of products of combustion (SO₂, NO₂) are elaborated. Methods for digit service conditions based on light guide technique and new methods of signal analysis (neuron network, wave transformations) are elaborated. These methods have considerable advantages against Fourier transformation, especially in the conditions of stochastic changes.

Analysis and investigation of choice of light guides, constructions of measuring heads and measuring circuits for measuring systems of processes of combustion are done. Models of processes of control are elaborated.

The regularity of change of information of heat values at combustion is revealed.

The optimization of light guide sensors by method of finite elements is done. The rational construction of sensor is chosen by simulation of six forms. For measuring of pulsation and intensity of flame lighting two measuring channels (logarithmic LOG100 and linear OP07) were used. This provides the temperature and pulsation measuring with the 0.1% error.

The results are implemented at thermoelectric power stations.

Key words: combustion procedure, combustion temperature, flame, steam boiler, pulsation, glow intensity, light guide, neuron network, wave transformations.

Размещено на Allbest.ru