ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для контроля выбросов промышленных предприятий в атмосферу, для определения концентраций токсичности газов, присутствующих в выхлопах двигателей внутреннего сгорания и ряде технологических процессов, требующих непрерывного контроля состава газа.

Известен газоанализатор с времяимпульсным выходным сигналом [1] Он включает источник инфракрасной радиации, состоящий из двух излучателей-светодиодов; кювету с анализируемой газовой смесью; полупрозрачное зеркало, установленное внутри кюветы; два приемника излучения: основной и дополнительный; дифференциальный интегратор с ключом на входе, который связан с основным приемником; три сравнивающих устройства, входы которых подключены к выходу интегратора; устройство формирования, один из выводов которых связан с коммутатором, установленным на входе источника излучения и делитель тока.

Измерение концентрации осуществляется в два такта по методу двухтактного интегрирования. Данный газоанализатор обладает повышенной линейной зависимостью выходного сигнала от измеряемой концентрации в широком диапазоне измерений по сравнению с экспоненциальной зависимостью поглощения, определяемой законом поглощения Ламберта-Бугера-Бера.

Основными недостатками такого газоанализатора являются сложность в конструкции кюветы, связанная с установкой внутри ее на заданном расстоянии от источника излучения полупрозрачного зеркала и наличие двух приемников излучения, которые могут в процессе эксплуатации менять свои характеристики один относительно другого, что приводит к увеличению погрешности измерения. Наиболее близким по технической сущности является газоанализатор [2] Он включает последовательно расположенные источник излучения, кювету с рабочей и опорной камерами, обтюратор, оптический фильтр с фокусирующей системой, приемник излучения, предварительный усилитель, регулируемый усилитель, разделительную RC-цепь, первое и второе аналоговое запоминающие устройства, первый и второй формирователи синхроимпульсов, схему сравнения, задатчик опорного сигнала, усилитель, индикаторное устройство, сумматор, оптический датчик положения обтюратора. Источник излучения создает направленный поток ИК-энергии в кювету, разделенную вдоль направления потока на рабочую и опорную камеры. Вращающийся обтюратор поочередно пропускает потоки ИК-излучения с рабочей и опорной камер через оптический фильтр с фокусирующей системой на приемник излучения. Оптический фильтр выделяет длину волны ИК-излучения, которая соответствует полосе поглощения анализируемого компонента.

Выход приемника излучения соединен со входом предварительного усилителя, выход которого подключен ко входу регулируемого усилителя, управляющий вход последнего в свою очередь соединен с выходом схемы сравнения, к первому входу которой подключен задатчик опорного сигнала. Выход оптического датчика положения обтюратора соединен со входами первого и второго формирователей синхроимпульсов, выходы которых связаны с управляющими входами первого и второго аналоговых запоминающих устройств соответственно. Выходы аналоговых запоминающих устройств подключены к первому и второму входам усилителя, выход которого соединен с индикаторным устройством. RC-цепь включена между выходом регулируемого усилителя и входами первого и второго аналоговых запоминающих устройств. Выход усилителя подсоединен к первому входу сумматора, второй вход сумматора подключен к выходу первого аналогового запоминающего устройства, а выход сумматора подключен ко второму входу схемы сравнения.

Данный газоанализатор обладает линейной статической характеристикой при экспоненциальной зависимости поглощения оптического излучения. По такой схеме построены газоанализаторы на пропан, гексан, окись углерода. При малой связи с выхода усилителя на вход сумматора статическая характеристика газоанализатора на пропан, гексан имеет вогнутый характер. При увеличении этой связи вогнутость уменьшается. Таким образом, регулировкой этой связи добиваются линейной статической характеристики. Но в газоанализаторе на окись углерода при малой связи с выхода усилителя на вход сумматора статическая характеристика имеет выпуклый характер, нелинейность которой меньше по сравнению с зависимостью поглощения оптического излучения. Увеличение этой связи газоанализаторе на окись углерода увеличивает выпуклость характеристики. Добиться полной линеаризации статической характеристики в газоанализаторе на окись углерода не удается. Отличие статических характеристик у газоанализаторов на определенные газы обусловлено разным отклонением зависимости поглощения оптического излучения газом от экспоненциальной зависимости. Зависимость поглощения оптического излучения определяется спектром поглощения газа и характеристиками оптического фильтра. Отсутствие полной линеаризации статической характеристики в газоанализаторе на газ с зависимостью поглощения оптического излучения отличной от экспоненциальной, является недостатком такого газоанализатора.

Технической задачей изобретения является повышение линейности статической характеристики газоанализатора.

Указанная техническая задача достигается за счет исключения сумматора и подключения выхода первого аналогового запоминающего устройства ко второму входу схемы сравнения и тем, что в газоанализатор введено звено обратной связи с выхода усилителя на выход RC-цепи. Звено обратной связи образовано резистором. Введение такой обратной связи делает коэффициент передачи измерительного тракта зависимым от концентрации. С повышением концентрации коэффициент измерительного тракта возрастает. Линейность статической характеристики газоанализатора получается за счет изменения коэффициента передачи измерительного тракта в зависимости от измеряемой концентрации. Регулировка нелинейности осуществляется резистором обратной связи. Чем больше резистор, тем больше статическая характеристика выгибается в сторону выпуклости и, наоборот, чем меньше резистор, тем характеристика более выгибается в сторону вогнутости.

На фиг. 1 представлена структурная схема газоанализатора; на фиг. 2 временные диаграммы выходного напряжения с RC-цепи при отсутствии анализируемого газа (С=О) и при наличии его (С ≠ О).

Газоанализатор включает последовательно расположенные источник излучения 1, кювету 2 с рабочей 3 и опорной 4 камерами, обтюратор 5, оптический фильтр 6 с фокусирующей системой 7, приемник излучения 8, предварительный усилитель 9, регулируемый усилитель 10, разделительную RC-цепь 11, первое и второе аналоговые запоминающие устройства 12 и 13, первый и второй формирователи синхроимпульсов 14 и 15, схему сравнения 16, задатчик опорного сигнала 17, усилитель 18, индикаторное устройство 19, звено обратной связи 20, оптический датчик положения обтюратора 21.

Источник излучения 1, выполненный в виде нихромовой спирали с отражателем, создает направленный поток ИК-энергии в кювету 2. Кювета 2 разделена вдоль направления потока на рабочую камеру 3, через которую пропускается анализируемая газовая смесь или воздух и на опорную камеру 4, заполненную воздухом. Вращающийся обтюратор 5, выполненный из непрозрачного диска с прорезями, поочередно пропускает потоки ИК-излучения с рабочей и опорной камер через оптический фильтр 6 с фокусирующей системой 7 на приемник излучения 8. Оптический фильтр 6 выделяет длину волны ИК-излучения, которая соответствует полосе поглощения анализируемого компонента. При наличии воздуха в обоих камерах потоки ИК-энергии, выходящие с этих камер, равны. За один оборот обтюратора 5 на приемнике излучения 8 образуется сигнал с двумя равными амплитудами, который усиливается предварительным усилителем 9, нормируется регулируемым усилителем 10. Переменный сигнал с выхода RC-цепи 11 поступает на первое и второе аналоговые заполняющие устройства 12 и 13, в которых записываются равные уровни сигналов U1 U2, соответствующие потокам ИК-излучения с рабочей и опорной камер. Выходное напряжение усилителя 18 равно нулю, так как определяется разностью сигналов с аналоговых запоминающих устройств 12 и 13. Сигнал с первого аналогового запоминающего устройства 12 сравнивается с опорным сигналом U_оп с задатчика 17 на схеме сравнения 16, которая управляет коэффициентом передачи регулируемого усилителя 10 таким образом, чтобы сигнал с устройства 12 был равен опорному сигналу, то есть U1 U_оп. Выход оптического датчика положения обтюратора 21 подключен ко входам первого и второго формирователей синхроимпульсов 14 и 15, выходы которых соединены с управляющими входами первого и второго аналоговых запоминающих устройств 12 и 13 соответственно. Выходное напряжение усилителя 18 равно нулю, и оно через звено обратной связи 20, образованное резистором R2, не вызывает появление постоянной составляющей на выходе RC-цепи, образованной конденсатором C1 и резистором R₁.

При наличии анализируемой газовой смеси в рабочей камере поток ИК-энергии с этой камеры уменьшится. В первом и втором аналоговых запоминающих устройствах запишутся разные уровни напряжений. На выходе усилителя 18 появляется напряжение, которое через резистор R₂ вызывает положительное смещение U-переменого сигнала с выхода RC-цепи, тем самым стараясь уменьшить значения U1 и U2. Но как только U1 станет меньше U_оп, схема сравнения 16 вызывает увеличение коэффициента передачи регулируемого усилителя до тех пор, пока сигнал с устройства 12 не будет равен опорному сигналу, то есть U1 U_оп. Это равенство поддерживается постоянно в процессе измерений. Разница напряжений ΔU U2 U1, являющаяся мерой концентрацией, усиливается усилителем 18, выходное напряжение которого отображается индикаторным устройством 19. С увеличением концентрации анализируемой газовой смеси возрастает разница ΔU, увеличивается выходной сигнал усилителя, вызывая повышение постоянного смещения U- и тем самым увеличение амплитуды переменного сигнала. Таким образом, с увеличением концентрации коэффициента передачи измерительного тракта возрастает. Чем больше коэффициент деления делителя R₂ и R₁, тем большая часть выходного напряжения поступает на выход RC-цепи, вызывая большее усиление. При определенных соотношениях резисторов R₁ и R₂ статическая характеристика газоанализатора становится линейной.

Такая схема была реализована в газоанализаторе ГИАМ-25 на окись углерода с верхним пределом измерения 5000 ppm. Длина кюветы была выбрана 150 мм. Выходной сигнал усилителя при максимальной концентрации равнялся 10 В. При сопротивлении R₁ 10 кОм и R₂ 45,3 кОм нелинейность статической характеристики составила менее 1% от верхнего предела измерений. Промышленное освоение такого газоанализатора намечено на ближайшее время.

Вышеизложенное предложение позволит повысить линейность статической характеристики, точность измерения, поскольку основное усиление производится по переменному току и выходное напряжение не зависит от дестабилизирующих факторов, которые приводят к изменению интенсивности потоков излучения.

Использование: газоанализатор может быть использован для контроля выбросов промышленных предприятий в атмосферу, для определения концентраций токсичности газов, присутствующих в выхлопах двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: для повышения линейности статистической характеристики введено звено обратной связи с выхода усилителя на выход RC-цепи, выходное напряжение усилителя, являющееся мерой концентрации, отображается индикаторным устройством, при этом аналоговые запоминающие устройства выполнены в виде синхронных детекторов, а звено обратной связи образовано резистором. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные источник излучения, кювету с рабочей и опорной камерами, обтюратор, оптический фильтр с фокусирующей системой, приемник излучения и также предварительный усилитель, регулируемый усилитель, разделительную RC-цепь, первое и второе аналоговые запоминающие устройства, первый и второй формирователи синхроимпульсов, оптический датчик положения обтюратора, схему сравнения, задатчик опорного сигнала, усилитель и индикаторное устройство, причем выход приемника излучения соединен с входом предварительного усилителя, выход которого подключен к входу регулируемого усилителя, управляющий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, к первому входу которой подключен задатчик опорного сигнала, к второму входу подключен выход первого аналогового запоминающего устройства, RC-цепь включена между выходом регулируемого усилителя и входами первого и второго аналоговых запоминающих устройств, выход оптического датчика положения обтюратора подключен к входам первого и второго формирователей синхроимпульсов, выходы которых соединены с управляющими входами первого и второго аналоговых запоминающих устройств соответственно, выходы которых подключены к первому и второму входам усилителя, выход которого соединен с индикаторным устройством, отличающийся тем, что в него введено звено обратной связи с выхода усилителя на выход RC-цепи. 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что аналоговые запоминающие устройства выполнены в виде синхронных детекторов, а звено обратной связи образовано резистором.