Устройство для измерения концентрации озона в воздухе- кислороде

Устройство для измерения концентрации озона в воздухе- кислороде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

Союз Советских

Социалистических

Респубпмн (iii 9381 19

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к ввт. свнд-ву (22) Заявлено 30,01.80 (2 I ) 2885953/18-25, с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 23 06 82 Бюллетень М 23 (5I )M. Кл.

601 и 27/22 вудвретивьй квмвтет

СССР

Ilo двлам изобретевкй н втквмтнй (53) УДК 543.27 (088.8).

Дата опубликования описания 26.06.82 (72) Авторы изобретения рньтй

Ю. H. Воронов, В. И. Воропаев и Ю. В. П (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕ РЕ НИЯ КОНЦЕ НТРАЦ ИИ

ОЗОНА В ВОЗДУХŠ— КИСЛОРОДЕ

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для определения концентрации озона в озоно-воздушных и озоно-кислородных газовых смесях в условиях их промьпп5 ленного производства и использования.

Известно устройство для определения содержания озона в воздухе и кислороде, работающее по принципу измерения теплопроводности, и содержащее регулятор расхода газа, два нагревателя, рабочий и эталонный чувствительные элементы (терморезисторы с большим температурным коэффициентом), включенные в мостовую схему, и показывающий прибор.

Наличие: двух чувствительных элементов позволяет получить при нулевой концентрации озона нулевые показания прибора и производить балансировку. Это достигается следующим образом. После 2о регулятора pBcxolj& газовая смесь р&э» деляется на два потока. Один проходит нагреватель и рабочий чувствительный элемент, другой - нагреватель и ата2 лонный чувствительный элемент. В нагревателях производится разложение озона.

При балансировке мостовой схемы (установке нулевых показаний) включаются оба нагревателя, и поэтому через оба чувствительные элементы пропускается газ одинакового состава. При измерении нагреватель рабочего чувствительного элемента отключается и через атот алемент пропускается гаэ, содержащий озон. Это вызывает изменение сопротивления рабочего чувствительного алемента, балансировка моста нарушается и сигнал разбаланса, пропорционщп ный содержанию озона, фиксируется показывающим прибором(1).

Недостатком данного устройства является применение ручной балансировки нуля, периодичность и качество которой влияют на точность измерения. Для обеспечения стабильности показаний в дкапазоне рабочих условий требуется идентичность рабочего и эталонного чувствитвль иых элементов, чего as практике достичь невозможно. Кроме того, применяемый в

9381 1

Работа газоанализатора заключается в попеременном чередовании циклов установки нуля и измерения, в соответствии с командами блока управления. При этом через емкостный датчик-ячейку пропускается либо исследуемая озоно-воздушная (кислородная) смесь, либо опорная, т. е.

30 не содержащая озона. Приготовление опорной смеси производится путем пропускания исследуемой газовой смеси через ячейку разложения озона.

Во время установки нуля через емкостный датчик-ячейку пропускается опорная

35 газовая смесь. Одновременно по команде блока управления включается реверсивный электродвигатель и через замедляющий ,редуктор начинает вращать ротор компенсирующего конденсатора переменной емкости, включенного в частото-задающую цепь ВЧ-генератора., Частота генератора при этом изменяется до тех пор, пока не примет некоторое определенное значение, при котором сигнал с частотного детектора сраня-: ется с сигналом источника опорного напряжения.

В этот момент исчезает сигнал с выхода схемы сравнения, и реверсионный М двж атель перестает вращать ротор компенсирующего конденсатора. В дальнейшем любые изменения частоты генератора, вызываемые дрейфом или изменением состава неконтролируемых компонентов иссле s5 дуемой газовой смеси, компенсируются системой слежения (усилитель постоянного тока, реверсивный двигатель, ре3 качестве чувствительных элементов материал имеет низкую коррозионную стойкость к активным веществам, летучим перекисям и растворителям, что снижает надежность устройства, а применение фильтров для очистки газовых смесей от . корродирующих; примесей усложняет его эксплуатацию.

Наиболее близким к изобретению яв,ляется газоанвлизатор диэлькометричес- 10 кий ОЗОН-З, содержащий емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий },Сконтур ВЧ-генератора, две ячейки разложения озона, два одновходовых клапана, усилитель-ограничитель, кварцевый частот-1 ный детектор, схему сравнения, источник опорного напряжения, усилитель,постоянного тока, реверсивный электродвигатель, замедляющий механический редуктор и компенсирующий конденсатор переменной 0 емкости, блок управления и самопишущий потенциометр.

9 ф дуктор, компенсирующий конденсатор) .

Во время цикла измерения реверсивный электродвигатель отключается, в через емкостный датчик-ячейку начинает проходить исследуемая озоно-воздушная (кислородная) газовая смесь. Частота

ВЧ-генератора изменяется, и это изменение, пропорциональное концентрации озона, фиксируется самопишущим потенцио м етром.

Применение взамен ручной корректировки системы автоматической установки нуля значительно усложнило прибор. Поскольку фиксируемые в процессе работы прибора изменения частоты малы, установка начальной частоты ВЧ-генератора системой слежения должна производиться с точностью до 10, в то время как собственная частота ВЧ-генератора равна 3,5 10 Гц. Это достигается приме6 нением сложной беэлюфтовой электромеханической системы слежения, включающей в себя реверсивный электродвигатель, механический замедляющий редуктор и компенсирующий конденсатор переменной емкости. Причем в качестве компенсирующего конденсатора применено снецивльно разработанное устройство для плавной настройки нв заданную частоту, содержащее конденсаторы грубой и плавной настройки и систему компенсации нелинейности диапазона перестройки (2)

Недостатками устройства является то, что изготовление элементов слежения требует высокочастотного оборудования, а эксплуатация - тщательного ухода. Работа системы в непрерывном режиме. неизбежно приводит к появлению механических люфтов, что снижает точность устройства и его надежность. Применение кварцевого частотного детектора вызывает явление "затягивания" им частоты ВЧ- генератора что усложняет процесс электр рической наладки.

Цель изобретения — унрошение устройства для измерения концентрации озона в воздухе - кислороде при одновременном повышении его точности и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения концентрации озона в воздухе - кислороде, содержащее емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий 4C онтур ВЧ-генератора, две,ячейки разложения озона, два одновходовых клапана и блок управления, дополнительно введены двухвходовая и

-четырехвходовая схемы И, инвертор, асинхронный М -триггер и последова5 938 тельно включенные двоично-десятичный реверсивный счетчик, регистр памяти и цифроаналоговый преобразователь, а блок управления выполнен в виде трех схем И, включенных последовательно с кварцевым 5 генератором прямоугольных импульсов, четырех Т-триггеров, причем входы apsмого и обратного счета реверсивного счетчика связаны соответственно с вы ходами двухвходовой и четырехвходовой S схем И, первые входы которых связаны с выходом ВЧ генератора, а второй вход двухвходовой схемы И и вход "Сбросасинхронного Ь-триггера связаны с выходом первой схемы И блока управления, первый вход которой и управляюший вход первого клапана связаны с выходом Q четвертого Т триггера блока управления, с выходом g которого связаны второй вход четырехвходовой схемы И и управлиюший вход второго клапана, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первой схемы И блока управления связаны с выходом Ц третьего Т-триггера, а четвертый вход четырехвходовой схемы И связан с выходом Q асинхронного g5 --триггера, вход 6 которого через инвертор связан с выходом Заем реверсивного счетчика, вход Сброс" которегочерез вторую схему И блока управления связан с выходами Ц второго и четвертого Т-триггеров и выходамп Q первого и третьего Т-триггеров и вход Запись регистра памяти через третью схему И блока управления связан с выходом Ц четвертого Т-триггера и выходами остальных Т-триггеров.

Применение двоично-десятичного реверсивного счетчика в сочетании с дву и четырехвходовой схемами И позволяет .

46 выделить пропорциональную концентрации озона разность частот ВЧ-генератора при последовательном пропускании через емкостный датчик-ячейку воздуха (кислорода) и озоно-воздушной (кислородной) смеси. При этом исключается необходи . мость в регулярной подстройке исходной частоты ВЧ-генератора. Выполнение блока управления в виде трех схем И и четырех Т-триггеров, включенных послед вательно с кварцевым генератором нря моугольных импульсов, обеспечивает при минимальном числе элементов и функциональных связей выполнение заданного алгоритма работы: попеременную подачу в датчик-ячейку воздуха (кислорода) и оэоновозду пной (кислородной) смеси; управление работой реверсивного счетчи119 ка, причем разрешение на счет выдается спустя время, необходимое для полной продувки датчика-ячейки, а время счета является оптимальным для получения необходимой точности; выдачу измеритель ной информации путем записи содержимого реверсивного счетчика в регистр памяти.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2временная диаграмма работы устройства.

Устройство для измерения концентра ции озона в воздухе - кислороде содержит емкостный датчик-ячейку 1, высоко частотный ЬС-генератор 2, одновходовый клапан для ввода в датчик 3 воздухакислорода, одновходовый клапан для ввода в датчик 4 оэоно-воздушной смеси, ячейки 5 и 6 разложения озона, двухвхо довую схему И 7, четырехвходовую схему И 8, двоично-десятичный реверсивный счетчик 9, регистр 10 памяти, цифроаналоговый преобразователь l l, инвертор 12, асинхронный RS -триггер 13, блок 14 управления, состоящий из кварцевого генератора 15 прямоугольных импульсов, последовательно включенных

Т-триггеров 16 - 19, двухвходовой схемы и 20 и четырехвходовых схем И 21 и 22. Причем емкостный датчик-ячейка 1 включена в задаюший 4С -контур ВЧгенератора 2, выход которого связан с входом прямого счета реверсивного счетчика 9 черы двухвходовую схему

И 7, а с входом В обратного счета ре версивного счетчика 9 через четырехвхо» довую схему И 8. Второй вход двухвходовоя схемы, И 7 и вход К асинхронного

9Я -триггера 13 связаны с выходом схемы И 20 блока 14 управления, azoic I которой и управляюший вход одновходового клапана 3,связаны с выходом 9

Т-триггера 19 блока 14 управления, с выходом Q которого связаны вход и четырехвходовой схемы И 8 и управляющий вход .одновходовогК клапана 4. Вход

Ш четырехвходовой схемы И 8 и вход ц схемы И 20 блока 14 управления csaзаны с выходом 9 Т-триггера 18, а вход Щ четырехвходовой схемы И 8 связан с выходом Ю асинхронного К5-трж гера 13, вход S которого через инвертор 12 связан с выходом Заем М ре версивиого счетчика 9, вход Сброс ф которого через схему И 21 блока 14 управления csiaas с выходом Ц Т-триггеров 17 и 19 и выходами ф Т-триггеров 18 и 18 блока 14 управления. Вход

9381 регистра памяти 10 связан с ииформа» ционными выходами Ф реверсивного счет чика 9, а вход "Запись" pl регистра 10 памяти через схему И 22 блока 14 управления связан с выходом Ц Т-триггера S

19 и выходами ф остальных Т-триггеров блока 14 управления.

Блок 14 управления вырабатывает последовательность команд, управляющих работой клапанов 3 и 4 реверсивного счетчика 9 и регистра 10 памяти. Формирование команд производится следующим образом.

Тактовые импульсы кварцевого генератора 15 поступают на последовательно соединенные Т-триггеры 16 - 19, каждый из которых делит частоту поступающих на него импульсов на два. Сформированные на выходах Q u Q Т-триггера 19 команды необходимой длительности управ- о ляют работой клапанов 3 и 4, обеспечивая попеременное их открывание. При открытом клапане 3 газовая смесь с входа через ячейку 5 разложения поступает в емкостный датчик-ячейку 1. Ячейка 5 разложения озона обеспечивает получение опорного, т. е. не содержащего озона, газа путем каталитического разложения озона до кислорода. При открытом клапане 4 газовая смесь, не меняя состава, поступает в датчик-ячейку 1.

Таким образом обеспечивается попеременное прохождение через датчик-ячей.ку 1 исследуемого и опорного газов. Для исключения выбросов озона в атмосферу гаэ с выхода датчика-ячейки 1 проходит ячейку 6 разложения озона. Изменение состава газа, проходящего через датчикячейку 1, вызывает изменение частоты

ВЧ-генератора 2, пропорциональное концентрации озона. Выделение изменения, частоты производится путем последовательного заполнения реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧ-генератора 2, причем при прохождении опорного газа заполнение производится по прямому счету, а при прохождении исследуемого газа - по обратному. Формирование команды на заполнение реверсивного счетчика.

9 по прямому счету осуществляется схемой И 20, обеспечивающей пропускание импульсов ВЧ-генератора 2 через схему

И 7 на вход Х счетчика 9 только при открытом клапане 3.

Заполнение реверсивного счетчика 9, $5 в режиме обратного счета производится только при открытом клапане 4, когда совпадение логических единиц с выходов:

19 8

Я - Т-триггера 19 и QT-триггера 18 обеспечит прохождение импульсов ВЧгенератора 2 через схему И 8 на вход

Я реверсивного счетчика 9.

Счет импульсов реверсивным счетчиком 9 производится за вторую половину времени, в течение которого открыт план Э или 4. Первая половина времени используется для продувки датчика-ячейки 1 °

Результатом последовательного запол ненни реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧ-генератора 2 в режимах сначала прямого, а затем обратного счета является код

М Ъ(УО %1)1 где Й - число импульсов на выходе )7 реверсивного счетчика 9;

t =- t - время заполнения реверсивного

1 у=г. к счетчика 9 в режимах прямого или обратного счета;

- время, в течение которого о

К крыт клапан 3 или 4;

- частота ВЧ-генератора 2 при прохождении через датчик-ячей» ку 1 опорного газа;

- частота ВЧ-генератора 2 при прохождении через датчик-ячейку исследуемой озоно-воздушной (кислородной) газовой смеси.

В течение первой половины времени, когда производится продувка датчикаячейки 1 опорным газом (клапан 3 оч крыт), совпадение логических единиц с выходов Ц -Т-триггера 19, g Т-триггера 18, ф Т-триггера 17 и g Т-триггера 16 на входе логической схемы И 22 формируется сигнал записи кода с выхода

1V реверсивного счетчика 9 в регистр 10 памяти. Далее этот код преобразуется цнфро-аналоговым преобразователем в аналоговый сигнал.

Через время, равное периоду прохождения тактовых импульсов кварцевого генератора 15, после сигнала записи совпадение логических единиц с выходов

Q Т-триггера 19 и 17 и фТ-триггеров 16 и 18 на входах схемы И 21 формирует сигнал установки реверсивного счетчика 9 в исходное состояние, поступающий на его вход 6 . Далее работа устройства повторяется. Если концентрация озона в исследуемом газе равна нулю, то результатом зацопнения реверсивного счетчика 9 в режиме прямого и обратного счета должен быть код, равный нулю. За счет возможного дрейфа частоты ВЧ-генератора 2 код на выхо9 93 де Qf реверсивного счетчика 9 может принимать положительное или отрицательное значения. Причем последнее цифроаналоговым преобразователем васприни- ° мается как большая концентрации озона.

Исключение регистрации такого ложного сигнала в предлагаемом устройспве производится следуняцим образом. Ппи появлении йа выходе Ф реверсивного счет чика 9 в режиме обратного, счета кода, равного нулю, на выходе V формируется короткий отрицательный импульс, который через инвертор 12 поступает на вход

RS -триггера 13. RS-триггер 1З опрокидывается, и исчезновение логической единишю на его выходе ф запрещает прохождение импульсов ВЧ-генератора 2 через схему И 8 на реверсивный счет чик 9, исключая тем самым регистрацию. счетчиком 9 кода, соответствующего

" отрипательному значенщо дрейфа частоты

ВЧ-генератора 2.

Практической реализацией устройства является разработанный макет газоанализатора озона, в качестве элементной базы которого применены интегральные микросхемы серии К 155, имеющие широкие функциональные воэможности, но недостаточное быстродействие.

Поэтому частота ВЧ-генератора выбрана равной 5 МГц. Время продувки датчика-ячейки и время заполнения реверсивного счетчика импульсами ВЧ-генератора выбрано равным 7 с. Диапазон измерения концентрации озона от 0 до

25 гlм . Получаемая при атом погрешность иэ-эа дискретности преобразования составляет 1,5%. Снижение ее возможно либо увеличением частоты ВЧ-генератора, т. е. переходом на элементную базу с большим быстродействием, либо увеличением времени заполнения реверсивного счетчика.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации озоне в воздухе - кислороде, содермащее емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий 4С-контур ВЧ-генератора, две ячейки разложения озона, 8119 1О.

В два одновходовых клапана и блок управления, о т л и ч а ю m е е с я тем, что, с целью упрощены устройства при одновременном повышении его точности

S инадежности, в него введены двухвхоЭ довая и четырехв)содовая схемы И, asвертор, асинхронный %5-триггер и последовательно включенные двоичнодесятичный реверсивный счетчик, регистр памяти и цифро-аналоговый цреобраэователь, а блок управления выполнен в виде трех схем И, включенных последовательно с кварцевым генератором прямоугольных импульсов четырех Т-триггеров, И причем выход ВЧ-генератора связан с входами прямого и обратного счета реверсивного счетчика соответственно через двухвходовую и четырехвходовую схемы И, а второй вход двухвходовой схемы

26 И и вход Сброс" асинхронного Щ -триг-. гера связан с выходом первой схемы И блока управления, первый вход которой и управляющий вход первого клапана

3 связаны с выходом Q четвертого Т тригзз гера блока управления, с выходом 5 которого связаны второй вход четырехвходовой схемы И и управляющий вход второго клапана, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первой схемы И блока управления связаны с выходом Q третьего Тгриггера, а четвертый вход четырехвходовой схемы И связан с выходом Я асинхронного RS -триггера, вход 9 которого через инвертор зз связан с выходом Заем реверсивного счетчика, вход Сброс которого через вторую схему И блока управления связан с выходами ф второго и четвертого Ттриггеров и выходамн 4 первого и третьеNl го триггеров, вход Запись регистра па мяти через третью схему И блока управ» ленни связан с выходом 9 четвертого

TTpHpp&ptt a выходами Q oc tchRbtB4x Ттриггеров.

43 Источники информации, принятые во внимание при акспертиэе

1.0ывЕ МЕМг МоаеЕ Н-80, фира .

%e,(shack, ФРГ. Инструкция по эксплуатации, 1964. р 2. Гаэоанапвэатор диэлькометрический G30, Т3 78, 5К1, SS1.018.ÒÓ.

Номер Госреестра 6428-77 (прототип) .

938119

Iai гаа МВарцеаага геиафаююра 1f

Вигад В триггера

ЬвиоОВ триггера t

ВюоЯВ триггера 4

ВечЮ В яраиара

Хланан Я

Маааи Ф

Юагтаща аа В,г®аВь

N" геаератара 2

Вмыд ахами и N

Фастата на Эн

A еаемм tt V

%юевюц ю Вмгеде стайн и б

ВаааФевенм а И

ВггааВагемм И B

Составитель В. Гусева

Редактор P. Е идика Техред М. Рейвес Кор мжтор И. Муска

Заказ 4449/65 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4