Газоанализатор Советский патент 1983 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, -а именно к измерению концентрации газов с помомью электрических и электрохимических средств.

Известен газоанализатор с несколькими полупроводниковьнчй датчиками, включенными в колебательные контуры, частоты которых сдвинуты ij.

Низкая точность измерения данным газоанализатором обусловлена рядом причин. К числу основных следует отнести влияение факторов .внешней среды, а именно температуры и влажности, изменение напряжения питания, отсутствие возможности избирательного измерения нескольких компонентов газовой смеси.

Полупроводниковые датчики характеризуются большой величиной дрейфа из электропроводности, которая обусловлена изменением каталитической активности поверхности полупроводников, т.е. изменением их чувствительности к aнaлизye ым газам, в процессе работы, что также о.грани,чивает точность измерения. В этом (Газоанализаторе устранены влияние температуры и влажности окружающей среды, а также влияние изменения напряжения питания на измерение концентрации газов. Однако из-за незначительного диапазона изменений проводимости полупроводниковых датчико под действием измеряемых концентраций газов сигнал, снимаемый с диагонали мостовой схемы, обладает существенной нелинейностью, что приводи к снижению Точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газоанализатор, содержащий первый полпроводниковый датчик, нагревательна обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления током нагрева, выход которого соединен с управляющим входом ключа, второй полупроводниковый датчик нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирущий усилитель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого,и второго датчиков соответственно, а выходы - к входам блока деления, выход которого соединен с регистратором.

В этом газоанализаторе температура первого датчика изменяется между двумя фиксированными уровнями. При наименьшей температуре происходит измерение концентраций анализируемого компонента смеси, разогрев до второй более высокой температуры обеспечивает очищение поверхност полупроводника от хемосорбированных молекул газов. Второй датчик разогревается до постоянной температуры Выбирая соотношения температур разогрева первого и вторбгбдатчиКбв,можно добиться селективной чувствительности к тому или другог-ту компоненту газовой смеси. После усиления и выполнения операции деления напряжеНИН с выхода первого -датчика на напряжение с выхода второго датчика получается сигнал, пропорциональный концентрации анализируемого компонента 2, Газоанализатор позволяет

0 получить сигнал, не зависимый от изменения напряжения питания, температуры и влажности воздуха, однако обладает погрешностью, вызванной различной величиной дрейфа электропро5 водности полупроводниковых датчиков. Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации газов газоанализаторога на основе Полупроводниковых датчиков.

Q Указанная цель достигается тем, что газоанализатор,, содержащий первый полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока,блок

5 управления током нагрева, выход которого соединен с управляющим входом ключа,второй полупроводниковый , нагревательная обмотка которого пбдклю-i чена к источнику тока, интегрирующий усилитель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков соответственно, а выходы - к входам блока деления, выход которого соединен с регистрато(ром, введены последовательно соединен5 ные электрохимический датчик, второй усилитель, сумматор, фильтр низких частот, третий усилитель, причем к инвертирующему входу сум1 1атора подключен выход второго усилителя, к

0 неинвертирующему входу сумматора выход блока деления, а выход третьего усилителя соединен с входом блока управления током нагрева.

Возможность повышения точности

5 изменения в предлагаемом газоанализаторе обусловлена тем, что в нем использованы датчики различных принципов действия. Это позволяет получить сигналы, пропорциональные концентрации газов, природа ошибок которых различна.

Последующей обработкой выходных сигналов датчиков удается получить сигнал, пропорциональный систематической погрешности изпе.рения полупроводникового датчика, обусловленной дрейфом его проводимости. Сигнал используется для изменения тег- пературы разогрева датчика до тех пор, пока систематическая погрешность

0 не уменьшится до нуля.

На фиг. 1 изображен предлагаемый газоанализатор; на фиг. 2 - функциональная схема блока деления напряжения, на фиг. 3 - то же, блока

5 управления током нагрева.

Газоанализатор содержит перпый полупроводниковЕлй датчик 1, нагревательная обмотка которого соединена через ключ 2 с источником 3 тока, блок 4 управления током нагрева, Btjход которого соединен с управляющиг входом ключа 2, второй полупроводниковый датчик 5, нагревательная обмотка которого подключена к источнику 3 тока, интегрирукхций усилител б и первый усилитель 7, входы которых подключены к выходам первого 1 и второго 5 датчиков соответственно, а выходы - к входам блока 8 деления, выход которого соединен с регистратором 9, последовательно соединенные электрохимический датчик 10, второй усилитель 11, сумматор 12, фильтр 13 низких частот, третий усилитель 14, причем к инвер тиругадему входу сумматора 12 подключен выход второго усилителя 11, к неинвертирующему входу сумглатора подключен выход блока 8 деления, а выход третьего усилителя 14 соединен с входом блока 4 управления током нагрева. В газоанализаторе использованы полупроводниковые кондук тометрические датчики.

Основными элементами газоанализатора являются блок 8 деления и блок 4 управления током нагрева. В качестве блока деления использован аналогичный блок деления напряжений который состоит из первого интегратора 15, второго интегратора 16, компаратора 17, выполненных на основе операционных усилителей, формирователя 18 , выполненного на основе жду щего мультивибратора, ключей 19 и 20, измерителя 21 амплитуды импульсов, включающего компаратор 22 и ключ 23 с емкостной нагрузкой 24.

Блок управления током нагрева пре; ставляет собой широтно-импульсный мод лятор (ШИМ), на вход которого поступает напряжение с выхода третьего усилителя, а с выхода его снимается последовательность импульсов заданной скважности. Функциональная схема блока управления тоKQM нагрева состоит из усилителя 25 разностного сигнала, подключенного к генератору 26 напряжения треугольной формы, содержащего последовательно соединенные мультивибратор 27 и интегратор 28, на выходе блока 4 установлен компаратор 29.

Все три датчика газоанализатора находятся в анализируемой среде.Первый полупроводниковый датчик разогревается периодически до двух фиксрованных температур, наименьшая выбирается из условия хемосорбции анализируемого компонента газовой смеси, максимальная температура разогрева об1 спечигзает очищение поверхности полупроводника от хемосор ированных молекул газа. Второй полупроводниковый датчик ра:1огр€ пается от источника тока до одной постоянной температуры, ниже наименьшей

температуры первого датчика, причем она выбирается из условия хемосорОции неизмеряемых компонентов газовой смеси. Время нагрева датчиков опре. деляется длительностью импульсов,

0 поступающих с блока управления то|ком нагрева на ключ. Медленно меняю;Щиеся напряжения, пропорциональные проводимости первого и второго полупроводни1 овых датчиков, после уси5 ления поступают на- соответствующие входы блока деления, а именно с выхода интегрирукицего усилителя - на вхсэд Делимое, а с выхода первого усилителя - на вход Делитель. На выходе блока имеем напряжение, про0порциональное концентрации анализируемого газа.

Работа блока деления напряжений основана на время-импульсном преобразовании постоянных входных напря жений Делимое и Делитель в амплитуду импульсов, пропорциональных отношению входных напряжений, с последующим преобразованием амплитуды импульсов в постоянное напряжение.

0 Напряжение и и U2 с выходов первого и второго полупроводниковых датчиков поступает соответственно на входы Делимое и Делитель первого 15 и второго 16 интеграто5 ров, ВЕлполненных на основе интегральных микросхем. Линейно-нарастакадее

напряжение с выхода интегратора 16

поступает на вход компаратора 17,

на этот же вход которого подается

0 и постоянное напряжение Up Па выходе компаратора появляется последо,вательность прямоугольных иг/тульсов, частота следования которых опредеUon

ляется соотношением напряжения

и,

5

Формирователь 18, выполненный на основе ждущего мультивибратора, позволяет получить необходимой длительности импульсы, поступающие на управляющие электроды электронных ключей

0 19 и 20, обеспечивающих полный разряд интегрирующих емкостей. Линейноизменяющееся напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряжению

и , поступает на вход измерителя

5 А амплитуды импульсов, на выходе

которого появляется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде импульсов, поступающих с выхода интегратора 15. Сигнал на выходе .бло0 ка деления напряжения (X+v) можно представить состоящим из величины, пропорциональной источной концентрации анализируемого газа X, плюс систематическая составляющая,характе5 ризугоцая ошибку измерения v. Сигнал

С выхода электрохимического датчика 11 газа (X+W) пропорционален той же концентрации анализируемого газа, но с другим характером сяиибок измерения, обусловленным преим5тдественно случайной составляющей погрешности.По еле вычисления напряжений,поступающих на входы сумматора, построенного на базе операционного усилителя, на его выходе получаем сигнал., равный сумгле измерения V+W). Учитывая, что случайная составляющая . погрешности измерения третьего датчика более высокочастотная, чем систематическая составлякадая погрешности полупроводниковых датчиков, для выделения систематической составляющей погредзности использован низкочастотный фильтр 13 с частотой среза 1 кГц, в качестве которого может быть использован пассивный Р-С фильтр. Далее напряжение, пропорциональное систематической составляющей погрешности, поступает на вход третьего усилителя, выполненного на базе операционного усилителя. С выхода третьего усилителя 14 напряжение Uj подается на вход усилителя разностного сигнала 25, в блоке 4 управления током нагрева, на другой вход которого nocTjmaeT опорное напряжение ,. Усиленный разностный сигнал с выхода усилителя 25, поступая на вход кo IrIapaтopa 29, сдвигает относительно нуля симметричное напряжение треугольной формы с генератора 26Треугольных импульсов. Генератор треугольных импульсов построен на основе генератора 27 прямоугольных импульсов, мультивибратор и интегратора 28 на транзисторе. С выхода компаратора 29. последовательность импульсов, скважность котрых зависит от величины напряжения Uji, поступает на управляющий электрод электронного ключа 2, выполненного на оснсзве транзистора, опреде ляя время его коммутации. Ключ 2 периодически подключает источник 3 тока к нагревательной обмотке полупроводникового датчика 1, обеспечивая его разогрев. Появление напряжения на выходе фильтра 13.низких частот, пропорционального ошибке измерения, приводит к изменению скважности импульсов, управляющих работой ключа 2, что выражается в изменении минимальной температуры разогрева датчика 1. Изменения минимальной температуры, соответствющей хемо сорбции анализируемого газ происходит до тех пор, пока ошибка измерения V не уменьшится до нуля, при этом на вход регистратора 9 поступает сигнал, пропорциональный концентрации анализируемого газа, у которого ошибка измерения сведена к минимуму.

Таким образом, газоанализатор, построенный на основе нескольких датчиков различных физиче;ских принципов с соответствующей обработкой их сигналов, позволяет получить точность измерения выие, чем точнос Которую могут обеспечить газоанализаторы, построенные на основе каждого типа датчика в отдельности. В результате экспериментальных исследований предлагаемого газоанализатора и известных установлено, что погрешность измерения концентрации . анализируемого газа предлагаемым устройством более чем На 30% меньше чем у известных приборон.

Использование изобретения позволит за счёт повышения точности анализ-а эффективнее регулировать движение внутреннего сгорания, улучшить качество продукции автоматизированных линий химических производств и т.п. . .

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий первый полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления током нагрела, выход которого соединен с управляквдим входом ключа, второй полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирующий уси-литель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков соответственно, а выходы - к входам блока деления, выход которого соединен с регистратором, о т ли ч ающ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные электрохимический датчик, второй усилитель, сумматор, фильтр низких частот, третий усилитель, причем к инвертиру зЕ1ему входу сумматора подг ключен выход второго усилителя, к нeинвepтиpyкII e y входу сумматора выход блока деления, а выход третьего усилителя соединен с входом бло;ка управления током нагрева. сл о to СП