Газоанализатор с время-импульсным выходным сигналом
Оп ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ (6l) Дополнительное к авт. свид-ву
Союз Советских
Социалистииеооа
Республик и 641332 а (5l) М. Кл.
{22) Заявлено 22.04. 76 (21) 2350319/18-25 (j 0l К 21/34 с присоединением заявки №
Гваударатеекньй камхтет
СССР па делам хзобретеккк х еткрктик (23) ПриоритетОпубликовано 05.01,7 g Áþëëå Tå H ü № 1
Дата опубликования описания 07.01 7g (53) УЙ < 543.27 (088.8) В. И. Красов, В И. Лобан, В. С. МоеГЫМченко и В. А. 0ветков (72) Автори изобретения
Ленинградский ордена Ленина тюпнтехннч им. М. И. Калинина (71) Заявитель (54) ГАЗОАНАЛИЗАТОР С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ
ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ
Изобретение относится к области оптического анализа газовых смесей, основанного на поглощении электромагнитного излучения определенным компонентом анализируемой газовой смеси, и может быть использовано в анализаторах, находящих 3 ся в автономном длительном бесподстроечйом режиме работы.
11ля устранения этих недостатков в газоанализаторах применяют компенсационные схемы со стабилизирующими обратны- 1О ми связями
Известен газоанализатор для определения двуокиси углерода (1J Он состоит из двух источников инфракрасной радиации с интерференционными фильтрами, фокусирующей системы, кюветы с анализируемой газовой смесью и цвух приемников излу- чения со схемой вьщеления и обработки сигналов, включающий усилители, цетекторы и регулируемые источники питания.
Источники излучения совместно с интерференционными фильтрами излучают цопеременно иа рабочей алине волны, соответствующей максимуму поглощения двуокиси углероца, и эталонной длины волны, где поглощение исследуемым газом отсутствует, Кювета, состоящая нз двух отсеков, может быть герметичной эталонной н рабочей, через которую прокачнвается анализируемая газовая смесь. Переменные сигналы с приемников излучения усиливаются и преобразуются с помощью синхронных детекторов в постоянные напряжения, одно нэ которых используется цля измерения концентрации двуокиси углерода, а второе для компенсации axoga излучательных характеристик источников излучения.
К недостаткам укаэанной схемы следует отнести необходимость применения герметичной эталонной кюветы со сложной фокусирующей системой и двух приемников излучения, которые могут в процессе эксплуатации менять свои характеристики цруг относительно друга, что приведет к увеличению погрешности измерения.
Ближайшим техническим решением является газоаналиэатор, содержащий исгде МС вЂ” постоянные интегрирования (фиг, 1).
По постижении им уровня U в момент .7 срабатывает первое сравнивающее устройство 6 и формирующим устройством 10 начинается формирование измерительного интервала kq- (кривая 14). Напряжение О „н в момент Г равно
1 Ь2 С1 ((3„Ж: При постижении уровМС Л о
35 ня Ояв момент Г срабатывает второе сравнивающее устройство 7 и формирующим 10 устройством .заканчивается формирование измерительного интервала
М и начинается формирование измерительноО го интервала Е (кривая 15), а также осуществляется переключение коммутатора 11 так, что во втором такте излучает уже эталонный светопиод. Напряжение
U „„в момент равно
6 .)
2 4 Р о
С момента Х начинается второй цикл измерения. Напряжение на выходе интегратора 4 во втором такте продолжает линейно нарастать (кривая 1 3), пропорцио нально другому напряжению ЬОя разбаланса моста приемника 3 точник излучения с двумя излучателями, коммутатор, кювету с анализируемой га зовой смесью f2)
Недостатком такого газоанализатора является довольно сложная схема выделения сигнала, включающая исключительно узлы аналогового преобразования, от большинства иэ которых требуется высокая точность преобразования. Отрицательная обратная связь по эталонному сигналу, t6 изменяющая питающее напряжение на источнике радиации, с одной стороны имеет глубину, ограничиваемую условиями устойчивости, а с другой стороны компенсирует изменения параметров только оптичес- 15 кой, а также той части электронной схемы, которая является обшей ля рабочего и эталонного каналов.
Целью преплагаемого изобретения явявляется повышение точности время-импульсного преобразования концентрации анализируемого газа.
Сна достигается тем, что в устройство дополнительно введены три сравнивающих устрбйства, вхойы которых подключены к интегратору схемы выделения, связанному с приемником излучения, а выходы через устройство формирования посредством коммутатора связаны с двумя излучателями источника излучения.
Структурная схема предлагаемого газоанализатора с время-импульсным выходным сигналом приведена на фиг. 1; на фиг. 2 пана диаграмма его работы.
Источник 1 инфракрасной радиации состоит из двух излучателей-светодиодов,, выполненных конструктивно в едином корду се. Источник 1 установлен на входе кюветы 2 с анализируемой .газовой смесью.
На выходе кюветы 2 имеется приемник
3 инфракрасной рапиации. Электронная схема газоанализатора включает интегратор 4 с ключем "пуск 5, три сравнивающих устройства 6, 7, 8 с блоком 9 опорных напряжений, устройство 10 формирования и коммутатор 11. диаграмма, характеризующая работу гаэоанализатора в целом и соответствующая изменению напряжения на выходе интегратора 4 в первом и втором тактах интегрирования (соответственно кривые
12, 13) и импульсные напряжения с выхода устройства 10 формирования длительностью 4q (кривая 14) и Ф2 (кривая
15) ° представлена на фиг. 2.
В исходном состоянии коммутатор 11 замкнут на рабочий светодиод, однако излучение отсутствует, так как общая цепь от источника питания разорвана (3 < =О), ключ 5 замкнут, а выходные напряжения интегратора 4 и устройства 10 формирования равны нулю.
Измерение концентрации осуществляется в два такта по метопу двухтактного интегрирования в соответствии с диаграммой (фиг. 2 ). В первом такте интегрирования в момент Г попачи импульса
"пуск" от блока управления (на фиг. 1 .не показан) рабочий светодиод подключается к источнику питания и размыкается ключ
5 интегратора 4. Напряжение Ц на ин выхопе интегратора 4 начинает линейно расти (кривая 12 ) пропорционально напряжению ЬОР разбаланса моста приемника
3 излучения в соответствии с выражением (+ ии о (1) 55 ин а ))С ) э (g) о
При достикении уровня U в момент срабатывает третье сравнивак)щее устройство 8, и устройством 1 0 формир )641 Зд2
6 — коэффициент поглощения (экстинкция) анализируемого газа; — длина оптического пути поглошения исследуемым газом, вания заканчивается формирование изме рительного интервала 4,1кривая 1 4).
Напряжение Оин в момент Г, равно
6у (5
+ ) >U В момент Т4 устЗ z К ) э
О ройство управления замыкает ключ g, o6= пуляя интегратор, прерывает цепь питания светодиодов и переключает коммута- ц тор 11. Б момент Г. заканчивается цикл измерения длительностью Ф ц, и газоанализатор возвращается в НсхоаНоа состояние. Опорные напряжения U<, О
0 сравниваюших устройств 6, 7, 8 за- л даются блоком 9 опорных напряжений посредством резисторного делителя Я„, Я,Я ОТ и то чника напряжения U (фиг. 1) и мож3
НО записать
Рг
Ц вЂ” (3
Я2
Коэффициент не зависит от из з менений О источника напряжения и остается постоянным при цействии дестабилизирующих факторов, которые в оцинаковой мере будут оказываться на R2 и Яз.
С цругой стороны справецливы равенства г 4= pg ) Ф = p(-„
ut 2
Так как излучатели выполнены иэ oEtного материала и на единой подложке, ТО интенсивности излучателей коррелированы -+=со е . Зля простоты их мож3 но положить равными друг другу. Пдэтому величина измеряемой концентрации опрецеляется выражением
/ э 1 нз,<
C= Bn = 6и —.— / (8) Я 2 .
Использование в прецлагаемом газоанализаторе режима интегрирования с тремя уровнями дискриминации (тремя сравнивакяшими устройствами), не требуюшего изменения направления интегрирования, автоматически Обеспечивает выделение рабочего и эталонного сигналов и не требует дополнительных узлов переключения, вычитания и т. д., сигналов, как в прототипе, снижающих точность измерения.
В процессе интегрирования повышается отношение сигнал/шум за счет их различных статистических характеристик (дпя
cHrHaiiahU> и ь0е — постоянны), что снижает влияние шума, в том числе шума приемника и Позволяет дополнительно снизить порог чувствительности газоаналиэатора.
Время-импульсное преобразование концентрации позволяет легко и точно произвести копирование и значит, Я д()р 4, ь д э
От пОстОяннОЙ интегрирования РС требуется лишь кратковременная стабильность в течение цикла измерения t 44 1 Начала и концы измерительных интервалов времени т, и < опрецеляются сра- 4
1 батыванием ицентичных межцу собой сравнивающих устройств 6, 7, 8 погрешности, которые. оказывакл.ся коррелированными между собой.
С другой стороны входные напряжения интегратора 4ЬОэ и Ь0р фукционально связаны с конце нтрацией О" анализируемого компонента в газовой смеси следующим соотношением
6, (7)
hU т у где 3< 3 - интенсивности соответственоз о но эталонного и рабочего излучателей; лакэ Яз fa N1 R3 И4
aU М 1 Й Я И (9) гце f — частота генератора;
Й„и и — коды.
Зто позволяет точно осуществить цальнейшие вычислительные операции уже кодов N4 и 82 или ввести информацию непосрецственно в UBM.
В сконструированном и испытанном макете предлагаемого гаэоанализатора с время-импульсным выходным сигналом H& углекислый газ применен источник излучения, описанный в прототипе. Использование время-импульсной схемы выделения сигнала в сочетании с оцноканальной оптической схемой позволило повысить цолговременную стабильность и точность измерения содержания углекислого газа в атмосфере обьекта до 196 с пределом измерения ЗО мм рт. ст. и снизить цо
641332
Составитель С. Соколова
Редактор Б. Павлов Техред Я. Андрейчук Корректор Л. Веселовская
Заказ 7501/38 Тираж 1О89 П одп исное
UHHHllH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
О, 3 мм рт. ст. порог чувствительности газоанализатора.
Формула изобретения
Гаэоанализатвр с время-импульсным выходным сигналом, содержащий источник излучения с двумя излучателями, коммутатор, кювету с анализируемой газовой смесью, приемник излучения и злектрон- 1О иую схему выделения сигнала, о т л ич а ю ш и и с я тем, что, с целью но- . вышения точности время-импульсного преобразования концентрации газа, он цополнительно содержит три сравнивающих устройства, входы которых подключены к интегратору схемы выделения, связанному с приемником излучения, а выходы через устройство формирования посредством коммутатора связаны с двумя излучателями источника излучения.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент CIHA ¹ 3614431 кл. 256-43.5 Я, 1971.
2. Заявка Ж 2002950/25, 14.08.75 по которой принято положительное решение о выдаче авторского свидетельства.
