Газоанализатор с время-импульсным выходным сигналом

Газоанализатор с время-импульсным выходным сигналом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

»»687921 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 240178 (21) 2574132/18-25 (51)М. Кл.

G 01 N 21/26 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 543. 4 (088. 8) Опубликовано 050380 Бюллетень № Э

Дата опубликования описания 05.038 0 (72) Авторы изобретения

В.И. Лобан и В.А. Цветков

Ленинградский ордена Ленина политехнический институт имени М.И. Калинина (71) Заявитель (54) ГАЭОАНАЛИЗАТОР С

ВЫХОДНЫМ С И

Иэ обретение относится к области оптического анализа газовых смесей, основанного на поглощении электромагнитного излучения определенным компонентом, и может быть использовано в газ оанализаторах, преимущественно многокомпонентных, находящихся в автономном длительном бесподстроечном режиме работы. 10

Известен газоанализатор для определения двуокиси углерода (1). Он состоит иэ двух источников инфракрасо ной радиации с и н т ерф ер енцион ными фильтрами, фокусирующей системы, кюветы с анализируемой газовой смесью и двух приемников излучения со схемой выделения и обработки сигналов,включающей усилители, детекторы и регулируемые источники питания. Источники излучения совместно с интерференционными фильтрами излучают попеременно на рабочей длине волны, соответствующей максимуму поглощения двуокиси углерода, и эталонной длине 25 волны, где поглощение исследуемым газом отсутствует. Кювета состоит иэ двух отсеков, герметичной эталонной и рабочей, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь.

ВP ЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМИ

ГНАЛОМ

«

/

ФФ Переменные сигналы с приемников излу-! чения усиливаются и преобразуются с помощью синхронных детекторов в постоянные напряжения, одно иэ которых используется для измерения концентрации двуокиси углерода, а второе — для компенсации ухода иэлучательных характеристик источников излучения.

К недостаткам укаэанной схемы следует отнести необходимость применения герметичной эталонной кюветы со сложной фокусируюшей системой и двух приемников излучения, которые могут в процессе эксплуатации менять свои -характеристики друг относительно друга, что приводит к увеличению погрешности измерения.

Для устранения этих недостатков в газоанализаторах охватывают обратной следящей св язью в есь тракт .выделения сигнала, включа я элементы оптики и источник излучения. Так, в известном газоаналиэаторе (2} используется источник излучения, состоящий из двух электронно-модулируемых высокой частотой излучающих элементов, изготовленных иэ одного ма— териала на единой подложке. Источ687921 ник излучает поочередно на рабочей и эталонной длинах волн. Поток излу чения проходит кювету с исследуемьм поглошающим газом и попадает на приемник излучения, причем поток излучения эталонной длины волны проходит кювету без поглощения его газовым компонентом анализируемой газовой смеси, а излучение рабочей длины поглощается углекислым газом. Мощность инфракрасного потока радиации, поступающего на приемник, пропорциональна пропусканию углекислого газа в анализируемой смеси при излучении рабочего элемента . Сигналы, снимаемые с приемника, усиливаются малошумящим предусилителем и усили- 15 телем, а затем разделяются на рабочий и эталонный сигналы схемой переключения, включаюшей транзисторные ключи и схему запоминания р нулевого уровня, а затем поступают Щ на синхронные детекторы, где происходит преобразование переменных

"игналов в постоянные напряжения.

Преобразование этих напряжений в выходной сигнал, пропорциональный концентрации углекислого газа, осуществляется схемой преобразования, в которой из эталонного напряжения вычитается напряжение рабочего канала и осуществляется коррекция. Напряжение с синхронного детектора эталонного канала изменяет питающее напряжение светодиодов таким образом, чтобы поддерживать постоянным напряжение на выходе синхронного детектора эталонного канала.

Недостатком такого газоанализатора является довольно сложная схема выделения. сигнала, включающая исключительно узлы аналогового преобразования, от большинства из которых требу- 40 ется высокая точность преобразования.

Отрицательная обратная связь по эталонному сигналу, изменяющая питащее напряжение на источнике радиации, с одной стороны, имеет глубину, ограни-45 чиваемую условиями устойчивости, с другой стороны, компенсирует изменения параметров только оптической, а также той части электронной схемы, которая является общей для рабочего и эталонного каналов.

° Кроме того в известных газоанализаторах, как правило, выходным сигналом электронной схемы является аналоговый сигнал (чаще напряжение), что:вызывает необходимость использованйя еще отдельного отсчетного устройства, погрешность которого значительно снижает общую точность газоанализатора и требует существенных дополнительных аппаратурных затрат. 60

Известен газоанализатор с времяимпульсным выходным сигналом — прототип, содержащий источник излучения с двумя излучателями, коммутаTops кювету с анализируемой газовой 65

Смесью, приемник излучения и схем выделения сигнала, включающую три сравнивающих устройства, устройство формирования и интегратор, причем выходы сравнивающих устройств подключены ко входам устройства формирования, последнее через коммутатор связано с двумя излучателями, вход интегратора соединен с выходом приемника излучения, а выход интегратора подключен к вхоцам сравнивающих устройств Г37.

Сигнал с выхода приемника излучения поступает непосредственно на интегратор, что позволяет снизить влияние шума во входном сигнале. Работа схемы выделения осуществляется в два такта. В первом такте интегрирования излучает рабочий светодиод, и на выходе интегратора напряжение линейно возрастает пропорционально интенсивности источника, пропусканию оптического тракта (с учетом поглощения измеряемым компонентом) и чувствительности приемника . Ilo достижении выходным напряжением интегратора определенного уровня срабатывает первое сравнивающее устройство и начинается второй такт, заключающийся в том, что вместо рабочего светодиода включается эталонный.

При этом напряжение продолжает расти, но с большим наклоном, который пропорционален интенсивности эталонного светодиода и чувствительности. приемника. Напряжение на выходе интегратора линейно возрастает до достижения им следующего уровня,. что приводит к срабатыванию сравнивающего устройства, и заканчивается второй цикл измерения, а электронная схема выделения сигнала возвращается в исходное состояние. Отношение длительностей первого 1„ и второго t тактов рав но

4 2 О Ссорю — = —.— „е а з о где RR3 — сопротивления,устанав ливаюшие уровень срабатывания устройств; т," — начальные интенсивности светодиодов, эталонного и рабочего соответственно у

Š— к оэффициент поглощения;

- длина оптического пути поглощения.

Как следует из приведенного выражения, выходной сигнал t, /t нелинейно связан с концентрацией (с) измеряемого компонента. Поэтому основ ным недостатксы такorо газоанализатора является .:весьма узкий диапазон измеряемых концентраций, где соблюдается линейная зависимость выходного относительного интервала времени (t, /t, ) от

687921 измеряемой концентрации (c) . Так, при допустимой погрешности линейнос ти 0,1Ъ оптическая плотность (EcL) не должна превышать величины

FcL 0,002. Включение с целью линеариэации статической характеристики гаэоанализатора логарифмических преобразователей, основным элементом к от орых являются опера ционные усили†тели, существенно снижает точность измерения за счет наличия значительного температурного и временного дрейфа нуля операционных усилителей, что недопустимо для автоматических газоанализаторов, находящихся в автономных условиях, исключающих частую коррекцию их параметров, например в труднодоступных местах, кроме того эти устройства имеют неустранимую погрешность несоответствия выходной характеристики газоанализатора идеальному логарифму, ко- () торая, например, для модуля 755 составляет погрешность, приведенную ко входу 0,5Ъ (Справочник по нелинейным схемам, М., 1977, с. 441) .

Важно также отметить, что при 25 отклонении закона поглощения от экспоненциального, имеющего место в действительности, применение логарифмических преобразователей не позволяет получить высокую линей- 30 ность статической характеристики.

Пелью изобретения является повышение линейности статической характеристики газоанализатора с время-импульсным выходным сигналом.

Указанная цель достигается тем, что известный газоаналиэатор снабжен делителем тока, полупрозрачньм зеркалом, установленным в кювете с анализируемой газовой смесью, дополнительным приемником излучения и диф- 40 ференциальным интегратором, один из входов которого через ключ, связанный с устройств ом формирования, соединен с основным приемником излучения, а к второму входу интегратора подключен дополнительный приемник излучения, вход дополнительного приемника излучения потоком излучения связан с полупрозрачньм зеркалом, а выходы делителя тока через коммутатор связаны с источником излучения.

На чертеже показана структурная схема гаэоанализатора с время-импульсным выходным сигналом.

Газоанализатор включает источник ! инфракрасной радиации 1, состоящий иэ двух излучателей — светодиодов, выполненных конструктивно в едином к орпус е, кюв ету 2 с а нализируемой газовой смесью, полупрозрачное 60 зеркало 3, установленное внутри кюветы на заданном расстоянии от источника излучения 1, два приемника излучения, основной 4 и дополнитель— ный 5, дифференциальный интегратор 65 б с ключом 7 на входе, который связан с основным приемником 4, три сравниваюших устройства 8, входы которых подключены к вых оду интегратора б, устройство формирова ни я 9, один из выходов которого св язан с коммутатором 10, установленным на входе источника излучения 1, и делитель така

11.

В исходном состоянии излучение от источника 1 отсутствует, так как общая цепь от источника питания разорнана (I =О), ключ 7 замкнут на землю, а выходные напряжения интегратора б и устройства формирования

9 равны нулю (ключи установки исходного состояния на чертеже не показаны) .

Измерение концентрации осуществляется в два такта по методу двухтактного интегрирования, аналогично прототипу. B первом такте интегрировачия в момент „подачи импульса пуск от блока управления (на чертеже не показан) рабочий и эталонный светодиод поочередно подключаются через коммутатор 10 и делитель тока 11 к источнику питания, причем ток питания эталонного св етодиода вдвое превышает ток питания рабочего светодиода. Напряжение на выходе интегратора 6 начинает линейно расти пропорционально напряжению л U„, снимаемому с дополнительного приемника излучения 5, в соответствии с выражениемм

t+c

t+x

М

V = — ьО de= — )(2u -U )dt, г

< нс

2 2

4 где Н С вЂ” постоянная интегрирования по входу интегратора б, связанному с дополнительным приемником излучения.

По достижении им уровня U, в момент г срабатывает первое сравнивающее устройство 8, аналогичное прототипуу, и устройств ом 9 начи на етс я формирование измерительного интер— вала t . Напряжение U в момент т рав но.

По достижении уровня U в мо—

2 мент .с срабатывает второе сравни— вающее устройство 8, устройством 9 заканчивается формирование измери— тель ного интервала t и начинается формирование измерительного интервала t2, а также осушествляется под— ключенйе основного приемника 4 через замкнутый в момент т ключ 7.к интегратору б и переключение коммутатора 10 так, что во втором такте излучают одновременно эталонный и рабочий светодиоды, причем через эталонный светодиод задается дели687921

t(е 2 О

-E.ee

2-е

-еее

2-е!

О,где F — коэффициент поглощения анализируемого газа; и Зе — расстояния от источника

15 излучения 1 до дополнительного приемника излучения 5 и основного приемника 6 соответственноо.

При таком соотношении расстояний приемников -излучения до источника и выбранных постоянных интегрирования отношения измерительных интервалов не включают квадратичных и кубичных членов разложения в ряд выходной характеристики гаэоанализатора

»+С

3 л Ф с О э 3 р С j(g0ýò 0ð МР ло

t -есе

2 20эт-0эт. е — есе

2-е

Э 2-е

0z 04

-U

= — =к

U3 е R3

Используя разложение экспоненциальной зависимости в ряд Маклорена и ограничиваясь членом разложения

4О 4-й степени относительно переменной Ecl, получают есе

-е се

2- с

2 го л о. ф(д)2-2 (ис)э8 (ece)" " б-з(еее) +4(e

20 Фи 2uэт Up эт

)2С RC )

2 г 1 1

Выб ира я полу чи м

1, 1 — =З; с =1, R c2 я„с„

З»,20эт 0Р)»4

C другой стороны, входные напряжения интегратора 6 функционально свя- »э5 телем 11 в,два раза больший ток, чем через рабочий. Напряжение U Ä в момент е. рав но

С момента з начинается второй цикл измерения. Напряжение на выходе интегратора 6 во втором такте продолжает линейно нарастать в соответствии с выражением

По достижении уровня U в мсмент 4 срабатывает третье сравнивающее устройство 8 и устройством 9 заканчивается формирование измерительного интервала. В мсР4ент -с4 устройство управления разрывает ключ 7, обнуля— ет интегратор 6 и воэврашает коммутатор 10 в исходное положение. На этом заканчивается цикл измерения.

Опорные напряжения U, U, U срав нивающих устройств 8, айалогично прототипу, задаются блоком опорных напряжений посредством резистивного делителя Вл, Rz, R .Òàêèì образом

Коэффициент К = Ве/R не зависит от изменений источника напряжения, и остается постоянным при действии дестабилизирующих факторов, которые в одинаковой мере будут влиять на эти сопротивления. С другой стороны, справедливы равенства: л зт

2 л р C J(20 -0 )р»т = »»

2 2 э. 2 2 о заны с концентрацией (c) анализируемого компонента следуюшими соотношениями:

К, «РСЕ» л -ЗЕЕЕ» К,л 3 ЕСР -ЕСЕ

) 4 зе -e

З(2+ е) (2 eee) К 4л 3 е

4+(3 Ъ(ЕСЕ) <(ECe) б(ЕСЕ) 2%(ЕЕЕ). Hf ЗЕЕЕ

Далее, осуществляя деление многочлена на многочлен, получают

t е 3(-ЕИ) 4

Г,=К 6 q- f(CCe)2 2(eCe)3 — (eCe)4э

2 3 24 е-к(f+eee .-) л г 2 ъ ъ

4 f

f- - (есе) з (есе) - Я (се)" +,„

Учитывая, что в знаменателе (- -(ce)z+ з (ссе) -Я(се) .,J< 1, 687921

10 где

/ 4

К "-— ак

10 л э ) 55

; разлагают второй сомножитель в ряд, рг ра ничива ясь членом 4-й степени разложения, при этом после умножения многочлена на многочлен получают окончательно следуюшее выражение: — =к Я - (ые)--(e

Как следует иэ приведенного выражения выходной сигнал / „не содержит квадратичного и кубичного членов разложения. Нелинейность в этом случае определяется слагаемым четвертой степени, при этом погрешность нелинейности при отбрасывании члена пятой степени равна

Выражение для погрешности линейности показывает, что при заданной погрешности нелинейностй л = 0,1Ъ приведенный диапазон измерения

Fct 0,1, что в 50 раэ больше,чем при отсутствии линеаризации (при экспоненциальной зависимости поглощения) .

Применение мультипликатив ного алгоритма для линеариз ции статичес- кой характеристики газоанализатора значительно эффек тив ней, чем использование известных логарифмических устройств, и позволяет существенно снизить аддитивную и мультипликатную составляющие погрешности газоаналиэатора, что особенно важно при долговременном режиме бесподстроечнбй работы.

Следует отметить, что процесс линеаризации может быть осуществлен и при отклонении закона поглощения от экспоненциального (что имеет место на практик e) изменением коэффициентов передачи делителя тока и постоянных интегрирования R С и

1 1

R С„интегратора 6.

Линеаризация статической характеристики гаэоанализатора с исключением квадратичного и кубичного членов разложения в ряд обеспечило .повышение линейности преобразования в указанном диапазоне измерения с

Эл =. 45% до „= 1%. При заданной погЦНИИПИ Заказ 10280/52

Тираж 1019Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,ъ

50 решности линейности газоаналиэатор позволяет существенно расширить диапазон измеряемых концентраций, что даст возможность использовать в информационно-измерительных систе— мах с большим числом измеряемых компонент в сложной газовой смеси, обеспечивая возможность суммирования сигналов отдель ных к а налов н епосредственно на выходе датчиков в информационноо-измеритель ных системах и тем самым разгружая память универсальной вычислительной машины.

Формула изобретения

Газ оа на ли затор с в рем я-импульс ным выходным сигналом, содержащий источник излучения с двумя излучателями, коммутатор, кювету с анализируемой газовой смесью, приемник излучения, интегратор и схему выделения сигнала, включающую три сравнивающих устройства, устройство формирования и интегратор, причем выходы сравнивающих устройств подключены к входам устройства формирования, которое через ксммутатор связано с двумя излучателями, вход интегратора соединен с выходом приемника излучения, а выход интегратора подключен к входам сравнивающих устройств, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения линейности статическ ой характеристики, он снабжен делителем тока, полупроэрачньм зеркалом, установленным в кювете с анализируемой газовой смесью, дополнительным приемником излучения и дифференциально интегратором, один и з вх одов к оторого через ключ, связанный с устройством формирования, соединен с ос— нов ным приемником излучения, а к второму входу интегратора подключен дополнительный приемник излучения и вход дополнительного приемника излучения потоком излучения связан с полупрозрачным зеркалом, а выходы делителя тока через коммутатор связаны с источниксм излучения.

И= т оч ник и и нф ормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент СНА Р 3614431, G 01 N 21/26, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

М 569916, кл. G 01 N 21/26,1974.

3. Авторское свидетельство СССР

М 2350319/18-25, G 01 N 21/34, 1977.