Способ измерения концентрации компонентов газовых смесей и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01N21/61 

трехходовые электроуправляемые клапаны (ЭК) 1-3. ОГМ подключена через трехходовый ЭК 4, регулятор рахода 8 - к входу ГА, Третьи каналы всех ЭК, два электрических входа каждого из которых присоединены к блоку переключения клапанов, соединены с атмосферой. Это позволяет продувать ОГМ и объемы от ЭК до ОГМ той ГС, которая затем подается на вход ГА. Это обеспечивает одинаковый характер нарастания сигналов ГА от раперной и от анализируемой ГС, что позволяет судить о концентрации по измерениям мгновенных значений сигналов при их нарастании. Генератор 10 импульсов.

1

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано в автоматизированных системах измерения .концентрации газов, в частности в метрологии, для аттестации поверочных газовых смесей.

Цель изобретения - повышение производительности, точности и уровня автоматизации измерений.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит электроуправляемые клапаны 1-3, установленные на линиях подачи газов из баллонов соответственно с нулевым газом, репер- ной газовой смесью и анализрфуемыми газовыми смесями в общую газовую магистраль, электроуправляемый клапан 4, установленный на выходе общей газовой магистрали, баллоны 5 с нулевы газом, 6 с реперной газовой смесью и 7 с анализируемыми газовыми смесями, регулятор 8 расхода, газоанализатор 9, генератор 10 импульсов,анало

го-цифровой преобразователь 11 (АЦП) блок 12 переключения клапанов, блок 13 управления, запоминающее устройство 14 (ЗУ), блок 15 определения установившихся значений, блок 16 вычисления концентрации, блок 17 опре- деления достоверности измерений и устройство 18 ввода-вывода.

Электроуправляемые клапаны 1-3 установлены на линиях подачи газов

аналого-цифровой преобразователь 11 и запоминающее устройство 14 позволяют фиксировать мгновенные значения сигналов через равные интервалы времени. Блок 15 определения установившихся значений позволяет регистрировать сигнал от нулевого газа в установившемся процессе. BrfoK 16 вычисления концентрации, блок определения достоверности измерений 17 и устройство 18 ввода-вывода позволяют определить концентрацию с заданной надежностью и сооб|дить результаты оператору .Очередность работы блоков устройства обеспечивает блок 13 управления. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

0

5

К

из баллонов 5-7 в общую газовую магистраль, клапан 4 установлен между выходом общей газовой магистрали и входом регулятора 8, выход которого .соединен газовой линией с входом газоанализатора 9. Все клапаны выполнены трехходовыми, их третьи газовые каналы соединены с атмосферой, а первые и вторые электрические входы подключены к выходам блока 12, вход которого присоединен к восьмому выходу блока 13, шестой и седьмой входы и выходы которого подключены соответственно к первому выходу и входу АЦП 11 и выходу и входу генератора 10. Первый, второй, третий и четвертый входы и выходы блока 13 присоединены к первым выходам и входам соответственно устройства 18, блока 17, блока 16 и блока 15, вторые входы и выходы которых подключены соответственно к первым, вторым, третьим и четвертым выходам и входам ЗУ 14, Пятый вход и выход последнего присоединены к пя- тому выходу и входу блока 13, шестой вход подключен к второму выходу преобразователя 11, второй вход которого присоединен к электрическому выходу газоанализатора .9.

Устройство работает следующим образом.

При автоматической аттестации га- .зовых смесей аттестация i-й (1 1,2, 3,..., п) смеси состоит из m циклов

3П54074

аттестации. Каждый j-й (j 1,2,.,., дов (комбинаций сигналов) с второго

т) цикл аттестации включает последовательную подачу на вход; газоанализатора 9 нулевого газа, реперной газовой смеси, нулевого газа и аттестуевыхода устройства 1b на первый вход ЗУ 14.

Работу устройства начинает оператор путем подачи с первого выхода устройства 18 на первый вход блока 13 кода начального пуска. Получив этот код, блок 13 производит продувку общей газовой магистрали нулевым газом. Для этого с седьмого выхода блока 13 на вход генератора 10 подается сигнал запуска, а по восьмому выходу блока 13 подается код на вход блока 12. При этом с выхода генерато ра 10 на седьмой вход блока 13 начинают поступать импульсы, а на выхода блока 12, предназначенного для согла сования уровня сигналов блока 13 с напряжением питания клапанов, появляется такая комбинация напряжений, которая обеспечивает продувку общей газовой магистрали нулевым газом.Напряжение подается на первый вход кла пана 1 и на вторые входы остальных клапанов, при этом нулевой газ проходит из баллона 5 через клапан 1 в общую газовую магистраль, а из нее - параллельно через все остальные клапаны в атмосферу. Продувка осуществляется до тех пор, пока число импуль сов, поступаюш 1х с выхода генератора 10 на седьмой вход блока 1, не достигнет N,

мои газовой смеси, причем перед подачей каждого газа на вход газоанализатора производится продувка этим газом общей газовой магистрали, а во время подачи - измерение и запоминание мгновенных значений сигнала на выходе газоанализатора. Сигнал от нулевого газа фиксируется до тех пор, пока не будет определено его установившееся значение, а измерение и запоминание мгновенных значений сигнала от реперной и от аттестуемой смесей производится до тех пор, пока не будет набрано заранее заданное число этих значений.

После регистрации сигнала от аттестуемой газовой смеси в каждом цикле вычисляется концентрация компонента в этой смеси (по результатам измерений мгновенных значений сигналов при их нарастании от реперной и от аттестуемой газовых смесей), а затем производится определение достоверности результатов, полученных в J-M цикле при аттестации i-й газовой смеси. Если результатам аттестации можно доверять, они сообщаются оператору, и устройство переходит к аттестации (1+1)-й газовой смеси, в противном случае производится (з+1)-й цикл аттестации i-й газовой смеси. Работа устройства продолжается,пока не окончится аттестация последней газовой смеси.

В ЗУ 14 запоминаются следующие данные: N - время продувки общей газовой магистрали в единицах числа импульсов, N, - число измерений в серии значений сигнала от нулевого газа, , - порог среднеквадратичес- кого отклонения (СКО) измерений на нулевом газе, N - число измерений мгновенных значений сигнала от реперной и от аттестуемой газовых смесей, Р и i - соответственно порог доверительной вероятности и порог доверительного интервала аттестации, Ср- концентрация анализируемого компонента в реперной газовой смеси, а также хранятся стандартные значения критерия Стьюдента б для различных значений Р (в виде таблицы).Оператор может изменить данные путем подачи ко

выхода устройства 1b на первый вход ЗУ 14.

Работу устройства начинает оператор путем подачи с первого выхода устройства 18 на первый вход блока 13 кода начального пуска. Получив этот код, блок 13 производит продувку общей газовой магистрали нулевым газом. Для этого с седьмого выхода блока 13 на вход генератора 10 подается сигнал запуска, а по восьмому выходу блока 13 подается код на вход блока 12. При этом с выхода генератора 10 на седьмой вход блока 13 начинают поступать импульсы, а на выходах блока 12, предназначенного для согласования уровня сигналов блока 13 с напряжением питания клапанов, появляется такая комбинация напряжений, которая обеспечивает продувку общей газовой магистрали нулевым газом.Напряжение подается на первый вход клапана 1 и на вторые входы остальных клапанов, при этом нулевой газ про- ходит из баллона 5 через клапан 1 в общую газовую магистраль, а из нее - параллельно через все остальные клапаны в атмосферу. Продувка осуществляется до тех пор, пока число импульсов, поступаюш 1х с выхода генератора 10 на седьмой вход блока 1, не достигнет N,

После этого начинаются подача нулевого газа на вход газоанализатора 9 и фиксирование выходного сигнала газоанализатора. При поступлении No-го импульса с выхода генератора 10 на седьмой вход блока 13 последний пере

дает на вход блока 12 код, в результате которого с его выходов на перт вые входы клапанов 1 и 4 поступает напряжение питания, а все остальные 5 входы клапанов обесточиваются. При этом нулевой газ из баллона 5 через клапан 1, общую газовую магистраль, клапан 4 и регулятор 8 поступает на вход газоанализатора 9. Одновременно по шестому выходу блока 13 вырабатывается импульс на первый вход АЦП 11, который запускает его. При этом выходной сигнал газоанализатора 9, поступающий на второй вход АЦП 11, преобразуется им в цифровой код, и по окончании преобразования с первого выхода АЦП 1J поступает импульс готовности на шестой вход блока 13,получив который, последний вырабатывает

0

5

1354074

код по пятому выходу на пятый вход

По истечении времени продувки N (в масштабе времени, задаваемом генератором 10) осуществляются подача реперной газовой смеси на вход газоанализатора 9 и фиксирование мгновенных значений выходного сигнала газоанализатора от реперной газовой смеси при нарастании этого сигнала. При от генератора 10 блок 13 снова запус- ю этом происходят такие же операции кает АЦП 11 и, получив импульс готов- как и при аналогичной работе с нуле- ности, передает код по пятому входу вым газом. Отличие только в том, что ЗУ 14 на запоминание второго мгновен- напряжение с выходов блока 12 подает- ного значения выходного сигнала газо- ся на первые входы клапанов 2 и 4, анализатора 9 во второй ячейке памяти 15 а фиксирование выходного сигнала гаЗУ 14. Получив этот код, ЗУ 14 принимает цифровой код, поступающий на его шестой вход с второго выхода АЦП 11, и запоминает его в первой ячейке, отведенной для хранения мгновенных значений сигнала от нулевого газа. При поступлении следующего импульса

ЗУ 14 и так далее до тех пор, пока не зафиксируется N, измерений на нулевом газе.

Затем производится определение установившегося значения сигнала от нулевого газа. После подачи кода по пятому входу ЗУ 14 на запоминание N,-ro измерения посылается сигнал с четвертого выхода блока 13 на первый вход блока 15, в результате чего по- .следний запускается и вычисляет среднее значение Ug, измерений на нулевом газе и CKOS g, этих измерений (данные поступают с четвертого выхода ЗУ 14 на второй вход блока 15). Закончив вычисления, блок 15 передает величину Up, по второму выходу на четвертый вход ЗУ 14, где она запоминается, а затем проверяет выполнение условия

0,-.. (1)

Если это условие выполняется,установившееся значение сигнала от нулевого газа определено (оно равно Ь ,), и система начинает производить продувку общей газовой магистрали реперной газовой смесью. В противном случае блок 15 вырабатывает по первому выходу на четвертый вход блока 13 код в результате которого по приходу им- пульса от генератора 10 на седьмой вход блока. 13 начинается фиксирование новой серии из N, значений, а за

ЗУ 14, являются реализациями п ного процесса, протекающего в тельном канале, передаточную ф

W(P)

Ст,р+1)(т., р + 1)-...(т,

тем снова определяется среднее значение из новой серии измерений на нуле- go о горого можно записать в виде вом газе, СКО и так далее до тех пор..

. 4пока условие (1) не выполнится.

Продувка общей газовой магистрали реперной газовой смесью производится аналогично продувке нулевым газом. gg Отличие в том, что напряжение с выходов блока 12 подается на первый вход клапана 2 и на вторые входы всех остальных клапанов.

коэффициент передачи и тельного канала;

где g

Т Т 1 г

...Т| - постоянные времени, с.

Процесс нарастания сигнала ходе газоанализатора 9 при нул

зоанализатора 9 производится до тех пор, пока в ЗУ 14 не запомнится N измерений Up(K 1,2,3,...,Nj) мгновенных значений сигнала от реперной

газовой смеси в процессе нарастания этого сигнала от уровня и,,, до установившегося уровня.

После этого осуществляются вторая в цикле продувка общей газовой магистрали нулевым газом, подача его на вход газоанализатора 9, регистрация серий из N, измерений выходного сигнала газоанализатора и определение установившегося значения этого

сигнала до тех пор, пока это значение Ug не запомнится в ЗУ 14 (при выполнении услови-- (1). Работа при этом не отличается от указанной. Затем производятся продувка общей газовой магистрали аттестуемой газовой смесью, подача ее на вход газоанализатора 9 и фиксирование N измерений и (К 1,2,3,,..,Ьр мгновенных значений сигнала от аттестуемой газовой смеси в процессе нарастания этого сигнала от уровня Ug до установившегося уровня. При этом последователь- ность работы такая же как и при фиксировании сигнала от реперной газовой смеси.

Измерения U.., и U , записанные в

ЗУ 14, являются реализациями переходного процесса, протекающего в измерительном канале, передаточную функцию

о горого можно записать в виде .

W(P)

Ст,р+1)(т., р + 1)-...(т,р + 0

орого можно записать в виде .

4;(2)

коэффициент передачи измерительного канала;

где g

Т Т 1 г

...Т| - постоянные времени, с.

Процесс нарастания сигнала на выходе газоанализатора 9 при нулевых

71354074

начальных условиях (что имеет место при подаче на вход реперной или аттестуемой газовой смеси после нулевого газа) можно описать функцией вида

U(t)f(T,,T,...,Tjt). С + и, где U(t)

(3)

f(T,,Ti,..

напряжение на выходе газоанализатора;

С - концентрация анализируемого компонента газовой смеси;

UQ - напряжение на выходе газоанализатора при С 0; ,T(t) - функция времени, зависящая от постоянных Т, , Tj,.. .,Т|, например, при она имеет вид

f(T.,T,,t) -Ml:fliMliA (4)

i 4 1 2

Таким образом, для измерений и„ можно записать

где t, .t,.. . ,t, - моменты времени фиксирования измерений, отсчитываемые от момента подачи газовой смеси на вход газоанализатора 9.

Для измерений U, справедливы соотношения

ид,(т,,,,t,) . 2С,-;+ и,,;

Ui,f(T,,TjT.t) -t- U,;

(Т, ,Т,. . . ,T,,t,) . e Cij «- Uo ,

где Cj - концентрация анализируемо- го компонента в i-й газовой смеси, оцениваемая в J-M цикле аттестации. Перенося величины UQ, и UQ в левые

части уравнений (5) и (6) и поделив

(6) на (5), можно получить

(Up,-Uo, );

U r-Uo2. -r (, );

Оог §

(UpM,- и„ )

Решением системы уравнений (7) методом наименьших квадратов относиCi

10 тельно неизвестного отношения

является

Р

NI

К.1

(UAK- UOZ)(UPK- Uo, )

,(8)

15

.(9)

(4)

„

(5)

20

После подачи кода по пятому входу ЗУ 14 на запоминание последнего измерения мгновенного значения сигнала от аттестуемой газовой смеси блок 13 посылает сигнал с третьего выхода

25 на первый вход блока 16. Этим сигналом последний запускается и производит вычисление оптимальной по методу наименьших квадратов оценки концентрации С;: по формуле (9) и среднюю

30 квадратичную погрешность отдельного измерения б . При этом данные (U,

и

лк

и

рк

0

, UQ., J Ср) Поступают с треиемые а

оот(6)

мо- оввые

ив

7)

тьего выхода ЗУ 14 на второй вход блока 16. Величины С;- и б передаются

35 с второго выхода блока 16 по третьему выходу ЗУ 14, в котором они запоминаются .

По окончании работы блока 16 по первому его выходу на третий вход

40 блока 13 посылается код, в результате чего последний включает в работу блок 1.7, подавая сигнал с второго его выхода на его первый вход. При работе блока 17 определяется критерий

45 Стьюдента по данным, хранящимся в ЗУ 14; средней квадратичной погрешности отдельного измерения, порогу дове- .рительного интервала Д , числу измерений N,. Затем, исходя из заданного

50 порога доверительной вероятности-Р, находится стандартное значение критерия Стьюдента (по таблице, хранящейся в ЗУ 14). При этом все данные поступают с второго выхода ЗУ 14 на

55 второй вход блока 17. Стандартное и определенное (вычисленное) значения критерия Стьюдента сравниваются по величине. Если стандартно.е больше, результаты данного цикла аттестации

аннулируются, при этом с первого выхода &лока 17 на второй вход блока 13 посылается код, согласно которому последний начинает следующий цикл аттестации этой же газовой смеси (указанным образом). Если вычисленно значение критерия Стьюдента больше или равно стандартному, с первого выхода блока 17 на второй вход блока 13 подается код, согласно которому последний включает устройство 18, посылая сигнал с первого выхода на его первый вход. Устройство 18 принимает по второму входу код числа С;: с первого выхода ЗУ 14 и печатает в аттестат на газовую смесь величину С;: выраженную в единицах концентрации. После этого с первого выхода устройства 19 передается код на первый вход 20 импульсов, аналого-цифровой -преобразователь, блок управления, блок определения установившихся значений,блок вычисления концентрации, блок определения достоверности измерений и устройство ввода-вывода, причем все электроуправляемые клапаны выполнены трехходовыми, их третьи газовые каналы соединены с атмосферой, а вторые электрические входы подключены к выходам блока переключения клапанов, вход которого присоединен к восьмому выходу блока управления, шестой и седьмой входы и выходы которого подключены соответственно к первому выходу и входу аналого-цифрового преобразователя и к выходу и входу

блока 13, в результате чего последний производит первый цикл аттестации (1+1)-й газовой смеси или останавливает работу системы, если все п газовые смеси аттестованы.25

Таким образом, изобретение позволяет увеличить производительность измерений при повьщ1ении точности и уровня автоматизации.

Формула изобретения

1,Способ .измерения концентрации компонентов газовых смесей, включающий поочередную подачу на вход газоанализатора нулевого газа, реперной газовой смеси, нулевого газа и анализируемой газовой смеси, регистрацию выходных сигналов газ.оанализатора и определение концентрации по величине сигналов, причем регистрацию выходного сигнала от нулевого газа осуществляют в установившемся процессе, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения производительности измерений, регистрируют через равные интервалы времени мгновенные значения выходных сигналов от реперной

и анализируемой смесей только в процессе их нарастания.

2.Устройство для измерения концентрации компонентов газовых смесей, содержащее баллон с нулевым газом, баллон с реперной газовой смесью, баллоны с анализируемыми газовыми

30

35

40

45

50

генератора импульсов, а первый, второй, третий и четвертый входы и выходы присоединены к первым выходам и входам соответственно устройства ввода-вывода, блока определения достоверности измерений, блока вычисления концентрации и блока определения установившихся значений, вторые входы и выходы которых подключены соответственно к первым и вторым, третьим и четвертым выходам и входам запоминающего устройства, пятый вход и выход которого присоеденены к пятому выходу и входу блока управления , шестой вход подключен к второму выходу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого присоединен к электрическо1чу выходу газоанализатора.

ВШЖ1И Заказ 5686/38 Тираж 776

Произв.-потигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

смесями, электроуправляемые клапаны, установленные на линиях подачи газов из баллонов в общую газовую магистраль j первые электрические входы которых подключены к выходам блока переключения клапанов, регулятор расхода, выход которого соединен газовой линией с входом газоанализатора, .и

запоминающее устройство, о тли - чающееся тем, что, с целью повьщ ения производительности, точности и уровня автоматизации измерений, в него введены электроуправляе г

мый клапан, первый вход которого подключен к выходу блока переключения клапанов, установленный между выходом общей газовой магистрали и вхо- дом регулятора расхода, генератор

0

5

0

генератора импульсов, а первый, второй, третий и четвертый входы и выходы присоединены к первым выходам и входам соответственно устройства ввода-вывода, блока определения достоверности измерений, блока вычисления концентрации и блока определения установившихся значений, вторые входы и выходы которых подключены соответственно к первым и вторым, третьим и четвертым выходам и входам запоминающего устройства, пятый вход и выход которого присоеденены к пятому выходу и входу блока управления , шестой вход подключен к второму выходу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого присоединен к электрическо1чу выходу газоанализатора.

Подписное

Изобретение относится к технике измерений компонентов газовых смесей (ГС) с использованием газоанализатора (ГА). Цель изобретения - повышение производительности измерений. Мгновенные значения сигналов ГА от реперной и от анализируемой ГС фиксируют через равные интервалы времени только в процессе нарастания этих сиг- налов. Предварительно регистрируют сигнал ГА от нулевого газа в установившемся процессе. Устройство позволяет с высокой производительностью и точностью автоматически производить измерение концентрации компонентов ГС. Баллоны 5-7 с ГС соединены с общей газовой магистралью (ОГМ) через i (Л оо СП 4 о 4