ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/78 

Изобретение относится к аналитическим приборам для измерения концентрации вредных веществ в воздухе, основано на измерении изменений оптических свойств поверхности газочувствительного элемента под воздействием анализируемой среды и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известен фотоколориметрический газоанализатор, содержащий фотоблок с источником и приемником излучения, газочувствительный элемент с лентопротяжным механизмом и приводом его, реле времени, усилители, коммутатор, сумматор, счетчик импульсов, регистрирующий прибор [1].

Недостатками указанного фотоколориметрического газоанализатора являются недостаточные надежность и точность измерения, а также недостаточная автоматизация, что требует использования в газоанализаторе реле времени для его периодического включения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является фотоколориметрический газоанализатор, содержащий фотоблок с источником и приемником излучения, газочувствительное индикаторное средство, счетчик импульсов, командоаппарат, коммутатор, регистрирующий прибор [2].

Недостатками этого газоанализатора являются недостаточная точность измерения, а также недостаточная автоматизация.

Указанные недостатки приводят к нерациональному использованию "машинного" времени газоанализатора.

Целью изобретения является уменьшение времени измерений за счет автоматизации процесса измерений при одновременном повышении точности измерений.

Цель достигается тем, что фотоколориметрический газоанализатор, включающий фотоблок с источником и приемником излучения, индикаторный ленточный элемент, оптически связанный с фотоблоком, лентопротяжный механизм с шаговым приводом, кинематически связанный с ленточным элементом, программное устройство, компаратор, регистрирующий прибор, снабжен дискретизатором сигнала по времени, последовательно соединенными первым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, весовым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, первым синхронным сумматором амплитуд импульсов сигналов и первым регулируемым усилителем, последовательно соединенными первым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым регулируемым усилителем и первым инвертором, последовательно соединенными ключом, первым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов, вторым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, третьим регулируемым усилителем и вторым синхронным сумматором амплитуд сигналов, последовательно соединенными третьим интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым инвертором, последовательно соединенными третьим блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, последовательно соединенными первым счетчиком импульсов и первым управляющим пороговым элементом, вторым счетчиком импульсов, блоком управления пороговым уровнем первого компаратора, вторым пороговым элементом и схемой ИЛИ, при этом вход дискретизатора сигнала по времени подключен к выходу приемника излучения фотоблока, первый выход дискретизатора подключен к рабочему входу ключа и входу первого компаратора с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, а второй выход - к счетному входу первого счетчика импульсов, выход первого управляющего порогового элемента соединен с первым входом счетчика и с первым управляющим входом ключа, выход которого соединен с входом третьего интегратора импульсов с регулируемым временем интегрирования, выход второго инвертора подключен к второму входу второго синхронного сумматора амплитуд импульсов сигналов, выход которого соединен с первым входом программного устройства, второй вход которого соединен с входом второго порогового элемента, управляющим входом весового интегратора и выходом второго счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к первому входу обнуления блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения и второму выходу первого компаратора, вход регулирования задаваемого уровня порога сигналов сравнения которого подключен к выходу блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения, управляющие входы первого и второго усилителей соединены соответственно с первым и вторым выходами программного устройства, третий выход которого подключен к входу регулирования задаваемого уровня порога сигнала сравнения второго компаратора, выход которого подключен к первому входу схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом второго порогового элемента, выход схемы ИЛИ соединен с вторым управляющим входом ключа, с входом управления шаговым приводом лентопротяжного механизма, с входом установки порога блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения компаратора и с входами обнуления программного устройства, первого и второго счетчиков импульсов, второго и третьего интеграторов импульсов с регулируемым временем интегрирования, весового интегратора и первого интегратора импульсов с регулируемым временем интегрирования, вход которого соединен с первым выходом первого компаратора, третий выход которого подключен к первому управляющему входу ключа, вход регистрирующего прибора подключен к выходу первого управляемого усилителя, выход первого инвертора подключен к второму входу первого синхронного сумматора амплитуд сигнала, выход которого соединен с входом третьего блока квадратичного преобразования амплитуды сигналов, выход первого счетчика соединен с управляющим входом третьего усилителя и третьим входом программного устройства.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что погрешность значительно уменьшается за счет оптимального накопления информации в процессе измерений, обеспечена автоматическая смена "кадра" газочувствительного ленточного индикаторного элемента в момент достижения заданной точности измерений и таким образом обеспечено рациональное использование "машинного" времени газоанализатора.

Известных технических решений, характеризующихся преложенной совокупностью признаков и позволяющих повысить точность измерений и автоматизацию измерений, не выявлено, что позволяет сделать выводы о новизне, существенных отличиях и достигнутом техническом уровне предложенного технического решения.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого фотоколориметрического газоанализатора, который включает фотоблок 1 с источником и приемником излучения, индикаторный ленточный элемент 2, оптически связанный с фотоблоком 1, лентопротяжный механизм 3 с шаговым приводом, кинематически связанный с ленточным элементом 2, программное устройство 4, имеющее три рабочих входа, вход обнуления для возврата программного устройства в исходное положение и три выхода и предназначенное для управления параметрами блоков газоанализатора, первый компаратор 5 с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, имеющий два входа и три выхода, регистрирующий прибор 6, проградуированный в единицах концентрации вредного газа, дискретизатор 7, имеющий вход и два выхода и предназначенный для преобразования аналогового сигнала в импульсный, "весовой" интегратор 8 импульсов с регулируемым временем интегрирования, имеющий рабочий вход, управляющий вход, вход сигнала обнуления и один выход, первый синхронный сумматор 9, имеющий два входа и один выход, первый регулируемый усилитель 10, имеющий рабочий и управляющий входы и выход, первый интегратор 11 импульсов с регулируемым временем интегрирования, имеющий рабочий вход, вход сигнала обнуления и выход, второй регулируемый усилитель 12, имеющий рабочий и управляющий входы и выход, первый инвертор 13, имеющий вход и выход, ключ 14, имеющий рабочий и управляющий входы, вход сигнала обнуления и выход, первый блок 15 квадратичного преобразования амплитуды сигнала, имеющий вход и выход, второй интегратор 16 импульсов с регулируемым временем интегрирования, имеющий рабочий вход, вход сигнала обнуления и выход, третий регулируемый усилитель 17, имеющий рабочий и управляющий входы и выход, второй синхронный сумматор 18, имеющий два входа и один выход, третий интегратор 19 импульсов с регулируемым временем интегрирования, имеющий рабочий вход, вход сигнала обнуления и выход, второй блок 20 квадратичного преобразования амплитуды сигнала, имеющий вход и выход, второй инвертор 21, имеющий вход и выход, третий блок 22 квадратичного преобразования амплитуды сигнала, имеющий вход и выход, второй компаратор 23 с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, имеющий два входа и три выхода, первый счетчик 24 импульсов, имеющий рабочий вход, управляющий вход, вход сигнала обнуления и выход, первый управляющий пороговый элемент 25, имеющий вход и выход, второй счетчик 26 импульсов, имеющий рабочий вход, вход сигнала обнуления и выход, блок 27 управления пороговым уровнем сигнала первого компаратора, имеющий рабочий вход, вход сигнала обнуления и выход, второй пороговый элемент 28, имеющий вход и выход, схему ИЛИ 29 с двумя входами и одним выходом.

Фотоколориметрический газоанализатор работает следующим образом.

За время одного цикла измерения концентрации газоанализатор автоматически находится поочередно в режимах "определение порога" уровня сигнала (при превышении которого производится переход на новый цикл измерения концентрации), "память" и "измерение", определяемых программным устройством 4.

В режиме "определение порога" сигналы обрабатываются в блоках 16-21 и 4, измеренное значение порога запоминается в программном устройстве 4. В режиме "измерение" сигналы обрабатываются в блоках 6,8-13,22,23,28,29.

При освещении индикаторного ленточного элемента 2 световым потоком из фотоблока 1 отраженный световой поток попадает в приемник излучения фотоблока 1, выходные сигналы которого подвергаются дискретизации по времени дискретизатором 7 с периодом повторения Т_п (преобразуются в периодические импульсные сигналы).

Каждый цикл измерения концентрации начинается с режима "определение порога" при открытом ключе 14. После квадратичного преобразования амплитуд сигналов в блоке 15 они интегрируются (суммируются по времени) инвертором 16 и усиливаются усилителем 17 с регулируемым коэффициентом усиления, равным К и задаваемым счетчиком 24 импульсов (К - содержимое счетчика 24, число поступивших импульсов). В интеграторе 19 сигналы интегрируются (суммируются по времени), после чего производится квадратичное преобразование их амплитуды в блоке 20 и инвертирование инвертором 21 (изменение знака амплитуд).

После синхронного суммирования амплитуд сигналов в сумматоре 18 с усилителя 17 и инвертора 21 формируется амплитуда
A = KJ2i

Амплитуда А запоминается в программном устройстве 4.

Завершение работы блоков 16-21 производится закрытием ключа 14. Закрытие ключа 14 производится управляющим пороговым элементом 25 или компаратором 5 с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения. Элементом 25 ключ закрывается, если содержимое счетчика 24 достигает заданного значения m (m+1)-й импульс и т.д. не пропускаются на блоки 16-21). Ключ 14 закрывается также, если амплитуды сигналов на входе компаратора 5 превышают пороговое значение J_о. Такое закрытие происходит, если интервал времени ΔТ от начала цикла измерения до превышения порогового значения J_о удовлетворяет условию ΔТ < mT_n. После закрытия ключа 14 работа счетчика 24 прекращается (содержимое счетчика 24 фиксируется) до следующего цикла измерения. Прекращение его работы производится элементом 25 и компаратором 5. Содержимое счетчика 24, в том числе и на момент завершения его работы, передается в программное устройство 4.

После превышения в компараторе 5 амплитудой сигналов порогового значения J_о начинается работа блоков 6, 8-13, 22, 23, 28, 29, при этом включается счетчик 26 импульсов и блоком 27 управления пороговыми уровнями компаратора 5 устанавливается пороговое значение, равное нулю.

В интеграторе 8 производится весовое интегрирование (суммирование по времени) амплитуд импульсов с весами, равными содержимому счетчика 26. В интеграторе 11 производится интегрирование (суммирование по времени) амплитуд сигналов, после чего они усиливаются усилителем 12 с регулируемым коэффициентом усиления, равным
и вычисляемым в программном
устройстве 4 (N - содержимое счетчика 26) и инвертируются в инверторе 13. В сумматоре 9 производится синхронное суммирование амплитуд сигналов, поступающих с интегратора 8 и инвертора 13.

На выходе этого сумматора формируется амплитуда
A_o= iJ_i- J_i
Просуммированные в сумматоре 9, амплитуды сигналов, начиная с N = 2, подаются в усилитель 10, в котором усиливаются, с регулируемым коэффициентом усиления, равным κ[N(N² - 1)]^-1 и вычисляемым в программном устройстве 4 ( κ- калибровочная константа), и подаются на регистрирующий прибор 6. Кроме того, просуммированные в сумматоре 9 сигналы после квадратичного преобразования в блоке 22 сравниваются в компараторе 23 с пороговым уровнем, задаваемым с программного устройства и равным
где n - содержимое счетчика 24 в момент закрытия ключа 14 (количество импульсов, прошедших обработку в блоках 16-22); γ_o=
γ- заданное среднеквадратическое отклонение относительной погрешности измерения концентрации, %.

После превышения порога факт превышения поступает на схему ИЛИ 29. На вход схемы ИЛИ 29 поступает также факт превышения порога в пороговом элементе 28 при выполнении условия N > N_о (N_о - максимально допустимое число импульсов на интервале измерения концентрации).

При срабатывании схемы ИЛИ 29 выдается команда на лентопротяжный механизм 3 с целью перехода на первый цикл измерения концентрации. При этом производится обнуление счетчиков 24, 26 и интеграторов 16, 19, 8, 11, через блок 27 устанавливается порог J_о в компараторе 5 и в программное устройства 4 выдается сигнал о завершении цикла измерения концентрации.

Приведенное описание работы газоанализатора относится к случаю светлеющей при наличии вредного вещества индикаторной ленты, когда амплитуда сигналов, поступающих от фотоблока 1, возрастает со временем. В случае темнеющей при наличии вредного вещества индикаторной ленты имеются отличие только в компараторе 5 (поступление сигналов на интеграторы 8 и 11 производится при условии не превышения порогового значения J_о) и блоке 27 (вместо порогового значения, равного нулю, устанавливается произвольное большое значение, по крайней мере значительно большее по сравнению с J_о).

Проводились испытания предлагаемого фотоколориметрического газоанализатора при измерении концентрации вредных веществ (газов) в воздухе. Относительная погрешность измерений концентрации аммиака в воздухе составила 3-5%.

В известных газоанализаторах в соответствии с требованиями Государственного стандарта относительная погрешность составляет 25%. Кроме того, достигнутая автоматизация измерений повысила эффективность использования "машинного" времени фотоколориметрического газоанализатора.

Таким образом, предлагаемый фотоколориметрический газоанализатор обладает более высокой точностью измерений, автоматизирован.

Изобретение относится к аналитическим приборам для измерения концентрации вредных веществ в воздухе. Сущность изобретения: фотоколометрический газоанализатор снабжен дискретизатором сигнала по времени, последовательно соединенными первым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, весовым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, первым синхронным сумматором амплитуд импульсов сигналов и первым регулируемым усилителем, последовательно соединенными первым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым регулируемым усилителем и первым инвертором, последовательно соединенными ключом, первым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов, вторым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, третьим регулируемым усилителем и вторым синхронным сумматором амплитуд сигналов, третьим интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым инвертором, третьим блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, первым счетчиком импульсов и первым управляющим пороговым элементом, вторым счетчиком импульсов, блоком управления пороговым уровнем первого компаратора, вторым пороговым элементом и схемой ИЛИ. 1 ил.

ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий фотоблок с источником и приемником излучения, индикаторный ленточный элемент, оптически связанный с фотоблоком, лентопротяжный механизм с шаговым приводом, кинематически связанный с ленточным элементом, программное устройство, компаратор, регистрирующий прибор, отличающийся тем, что он снабжен дискретизатором сигнала по времени, последовательно соединенными первым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, весовым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, первым синхронным сумматором амплитуд импульсов сигналов и первым регулируемым усилителем, последовательно соединенными первым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым регулируемым усилителем и первым инвертором, последовательно соединенными ключом, первым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов, вторым интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, третьим регулируемым усилителем и вторым синхронным сумматором амплитуд сигналов, последовательно соединенными третьим интегратором импульсов с регулируемым временем интегрирования, вторым блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым инвертором, последовательно соединенными третьим блоком квадратичного преобразования амплитуды сигналов и вторым компаратором с регулируемым уровнем порога сигнала сравнения, последовательно соединенными первым счетчиком импульсов и первым управляющим пороговым элементом, вторым счетчиком импульсов, блоком управления пороговым уровнем первого компаратора, вторым пороговым элементом и схемой ИЛИ, при этом вход дискретизатора сигнала по времени подключен к выходу приемника излучения фотоблока, первый выход дискретизатора подключен к рабочему входу ключа и входу первого компаратора с регулируемым уровнем порога сигналов сравнения, а второй выход - к счетному входу первого счетчика импульсов, выход первого управляющего порогового элемента соединен с первым входом счетчика и с первым управляющим входом ключа, выход которого соединен также с входом третьего интегратора импульсов с регулируемым временем интегрирования, выход второго инвертора подключен к второму входу второго синхронного сумматора амплитуд импульсов сигналов, выход которого соединен с первым входом программного устройства, второй вход которого соединен с входом второго порогового элемента, управляющим входом весового интегратора и выходом второго счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к первому входу обнуления блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения и к второму выходу первого компаратора, вход регулирования задаваемого уровня порога сигналов сравнения которого подключен к выходу блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения, управляющие входы первого и второго усилителей соединены соответственно с первым и вторым выходами программного устройства, третий выход которого подключен к входу регулирования задаваемого уровня порога сигнала сравнения второго компаратора, выход которого подключен к первому входу схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом второго порогового элемента, выход схемы ИЛИ - с вторым управляющим входом ключа, с входом управления шаговым приводом лентопротяжного механизма, с входом установки порога блока управления пороговым уровнем сигнала сравнения компаратора и с входами обнуления программного устройства, первого и второго счетчиков импульсов, второго и третьего интеграторов импульсов с регулируемым временем интегрирования, весового интегратора и первого интегратора импульсов с регулируемым временем интегрирования, вход которого соединен с первым выходом первого компаратора, третий выход которого подключен к первому управляющему входу ключа, вход регистрирующего прибора подключен к выходу управляемого усилителя, выход первого инвертора - к второму входу первого синхронного сумматора амплитуд сигналов, выход которого соединен также с входом третьего блока квадратичного преобразования амплитуды сигналов, выход первого счетчика соединен с управляющим входом третьего усилителя и третьим входом программного устройства.