ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР Советский патент 1970 года по МПК G01N25/32 G01N31/10 

Изобретение относится к газоаналитическим устройствам автоматического контроля горючих газов в атмосфере.

Известен термохимический анализагор горючих газов - с активным и эталонным термопреобразовательными элементами, включенными в обособленные электрические мосты, которые соединяются между собой вторично через выходной показывающий прибор. В известно.м анализаторе повышение быстродействия мостов осуществляется их сигналом разбаланса при помонди магнитно-транзисторного усилителя по цепи обратной отрицательной связи.

Такой датчик пе обеспечивает пр:Инципиально устойчивого режима работы устройства без согласования динамических характеристик его инерционных звеньев.

Наличие в однокоитурной цепи регулирования магнитно-транзисторного усилителя и термокаталитического датчика, апроксимируемых соответственно динамическими звеньями второго и первого порядков, придает всей схеме свойства замкнутой системы регулирования третьего порядка. Ир.и этом условия устойчивой работы ее достигались при строго определенном соотношении постоянных времени инерционных звеньев, в частности постоянные времени термопреобразовательных элементов датчика должны быть заведомо меньше в предыдущих инерционных звеньях замкнутого контура. Это накладывало ограничения па технические характеристики п конструкцию термонреобразовательных элементов-катализаторов: можно было использовать в качестве ;i.x лишь малоэкономичные с высоким порогом чувствительности тонкие платиновые нити вместо катализаторов на пористых носителях, свободных от указанных недостатков, но не применимых для рассматриваемой системы азтостабилизации из-за недопустимо большо постоянной времени. Иричем даже при выполнении этого требования (устаиовка платиновых спиралей) инерционность процесса термопреобразования не устранялась полностью.

Цель предлагаемого изобретения - пр 1ведсние всего устройства безынерционного термопреобразования горючих газов к одноконтурной системе автоматического регулирования

(САР) первого порядка за счет исключения инерционных звеньев из цепи усиления.

Иа фиг. 1 дана функционально-блочная схема безынерционного термокаталитпческого анализатора горючих газов; на фиг. 2 изображена диаграмма напряжений; на фиг. 3 представлен пример инженерного исполнения блоксхемы, по которой выполнен и всесторонне исследован лабораторный макет устройства. Анализатор состоит из двух симметричных щихся к активному RA. и компенсационному RK термопреобразовательным элемептам термокаталихического датчика Д. Оконечный каскад одного из усилителей одновременно выполняет функции блокинг-генератора БГ, выходной импульс которого по цепям Сб, и Cg синхронно воздействует на базы оконечных каскадов обоих усилителей. В момент поступления импульса от блокинг-генератора оконечный каскад, до этого находившийся в запертом состоянии, отпирается, и напряжение источника оказывается полностью приложенным к диагоналям питания мостов. Таким образом, каждый из мостов питается колле.кторным током оконечного каскада усилителя переменного напряжения (, ), на входы которых через трансформаторы (Tpi, Т ) подаются напряжения их разбаланса. В зав;Исимости от знака разбаланса, обусловленного отклонением температурного реЛ1има термопреобразовательных элементов (А. ) от заданного (их перегрев или недогрев), трансформаторная обратная связь меняет свой знак (соответственно становится отрицательной или положительной). В случае перегрева спирали нитание мосту подается лишь на время весьма непродолжительного импульса от блокинг-генератора ( сек), т. е. ло сушеству мост обесточен (перегретый термоэлемент находится в состоянии естественного охлаждения). В противоположном случае - недогрев спирали, питание мосту после подачи на усилитель отпираюш,его импульса не исчезает вместе с последним, а остается до достижения термоэлементами RP, ,RK заданной температуры, т. е. до полного исчезновения положительной обратной связи, поддерживающей открытое состояние оконечного каскада усилителя. Описанный процесс периодически повторяется, так как блокинг-генератор находится в состоянии автоколебаний, непрерывно зондируя температурное состояние термопреобразовательных элементов и синхронизируя работу обоих усилителей. Таким образом, питание мосту подается в виде однонолярных прямоугольных импульсов, длительность которых предопределяется величиной недогрева термопреобразовательпых элементов до заданной температуры. Поскольку временной промежуток следования импульсов блокипг-гене-ратора на несколько лорядков меньше температурной постоянной термоэлементов, а запирание оконечного каскада усилителей по достижении баланса мостов происходит безынерционно, очевидно, что перегрев спиралей не может иметь места, а недогрев, по суш.еству, является условным, так как вырал ;ается в абсолютном значении десятыми долями градуса. Здесь и Б -напряжение зондирующих импульсов блокинг-генератора; UА, UK-напряжения питания активпого и компенсационного мостов; бд - напрял ение разбаланса в диагонали активного моста А (в рассматриваемом промел утке времени характер напрял :ения дебаланса компенсационного моста аналогичен), вых -напрял ение выходного сигнала устройства, равное разности напрял ений UK и Uf, и отсчитываемое индикаторным прибором И. При отсутствии метана (см. фиг. 2, О-т) 6вых равно нулю, так как амплитуда и длительность импульсов и А и 6к при этом совпадают. При появлении в окрул ающей среде метана (СП4) в момент () температура активного термопреобразовательного элемента будет стремиться превысить заданный уровень (в результате термокаталитического эффекта метана на нем). Однако вследствие действия полол« тельной обратной связи, стремящейся сохранить заданный уровень температуры, ноддерлчание его будет обеспечиваться вследствие сужения, пропорционального концентрации метана, нитающих активный мост А и.мпульсов нанрял :ения постоянной амплитуды. При этом длительность импульсов напрялчения питания компенсационного моста не зависит от метана в связи с каталитической пассивностью его комнепсационного элемента. В соответствии с излол :енны.м, выходное нанрял ение (к ) после представляет собой последовательные однополярные импульсы постоянной амплитуды, имеющие длительность, пропорциональную концентрации метана. Излол енное иллюстрируется на участке (см. фиг. 2). Постоянная составляющая выходного папрялсепия (см. фиг. 2, U) отсчитывается выходным прибором И, а переменная составляющая используется в качестве широтно-импульсного кода канала телеизмерения КС содерлчания метана. В соответствии с принципом работы устройства, постоянная составляющая напряжения не зависит от величины (амплитуды) импульса питающего напрял ения, так как лри прочих равных условиях с изменением ее изменяется глубина цепи обратной связи обратно пропорционально длительности импульса, чем сохраняется неизменность содерл ащейся в нем мощности. Однако указанная взаимокомпенсация, обеспечивающая стабильность градуировочной характеристики прибора П, дестабилизирует работу ш.иротно-импульсного телеметрического канала КС: непременным условием стабильности работы последнего является постоянство амплитуды напрял ения питающих импульсов (6к, А.). С этой целью напряжение питания устройства стабилизировано и снимается со

Питание может быть осуществлено либо от местного автономного источника Б со стабилизирующей цепочки , либо от дистанционного источника стабилизирован1гого тока (с ц.риемного пункта телеметрического канала КС путем уплотнения его). Емкость СБ указанной ценочки выполняет роль звена согласования между импульсным характером низкоомной нагрузки (мосты А, К) и высокоомным и нестабильным сопротивлением дистанционного источника питания: стабилизированный ток по каналу связи КС от высоковольтного источника через емкость СБ в промел утке поступления импульсов питания низкоомной нагрузки восстанавливает свой потенциал до порогового напряжения стабилитрона Д и в момент отнирания оконечного каскада усилителей обеспечивает кратковременный импульс мощности по цепи питания MOCTVOB гораздо большим чем в канале связи током при низком эффективном напряжении. Таким обррзом, емкость Сз по своим функциям может быть названа трансформатором постоянного тока.

Емкость СБ в указанной роли также необходима и при использовании местного (автономного) источника напряжения, так как при отсутствии ее стабилизирующая цепочка Ro-Д не могла бы выиолнять свои функции в режиме импульсной отдачи мощности низкоомной нагрузки (мосты А, К).

Усилители (см. фиг. 3, , ) состоят из трех резистивных каскадов предварительного усиления (Г, TZ, Т) оконечного каскада Тц, одновременно выполняющего для верхней половины схемы (Уд ) функции блокинг-генератора. Уч.итывая, что в режиме переключения оконечный каскад Г; практически не потребляет мощности, а предыдущие усилительные каскады Г, Т2, Тя имеют ничтожно малые токи коллектора, общий к.п.д. устройства значительно превышает величину тактового нри непрерывном питании измерительных мостов.

Рассмотренный механизм работы схемы сохраняется и при отсутствии блокинг-генератора. Для этого, оконечный каскад в исходном состоянии не должен быть заперт полностью (соответственный режим выбирается цепью смещения). При этом малейший ток разбаланса мостов обусловит лавинообразное нарастание сигнала в цени обратной связи до полного открывания оконечного каскада (при недогреве термопреобразовательных элементов) или запирания его (при балансе моста, так как перегрев элемента практически не допускается устройством) и, таким образом, процесс компенсации (током питания) дебаланса мостов остается идентичным описанному выще. В рассматриваемом случае синхронный режим работы двух половин схемы может быть обеспечен путем включения между базалги оконечных каскадов усилителей небольшой емкости, однако использование блокинг-генератора обеспечивает значительно более строгую

синхронизацию, что позволяет обеспечить работ телеметрического капала с соответственно больщей точностью.

Достоинства изобретения следующие: полная безынерционность процесса термокаталитического преобразования анализируемого газа;

бездрейфовость, обеспечиваемая применением усилителя переменного тока в компенсационном режиме (действие обратной связи до полного устранения разбаланса мостов):

отсутствие необходимости применеиия специальных устройств для кодирования информационного сигнала для осуществления телеметрического канала в связи с органической присуодностью генерировать аналоговый сигнал и сигнал щиротно-импульсного типа, непосредственно используемого для дистанционной передачи информации;

высокий коэфсЬициент полезного действия и, как следствие, экономичность н искробезопасность гощности потребления:

емкостное согласование высоковольтного источника питания с низкоомной нагрузкой, позволивщее применить источник постоянного тока и, таким образом, отказаться от гро оздких устройств трансформирования, выппямления и согласования переменного напряжения питания.

Преимуществом предлагаемого анализатора является его пригодность для раздельного (селективного) анализа содержащих -кодтонент смеси ГОРЮЧИХ газов в последовательности роста рабочих температур их на новепхHOCTTI термопреобразовательного элемента / А. Действительная возможность этого очевидна, благодаря способности компенсационного моста К обеспечит «жесткую привязку нулевой точки милливольтметра во всем температурно: 1 диапазоне работы термопреобразовательного элемента, рабочую температуру КОТОРОГО для данной излгеряемой горячей компоненты (даже через самые незначительные интервалы) можно задать с большой точностью и выдерживать с неизменным постоянством.

Предмет изобретения

1. Термохимический анализатор горючих газов с активным и компенсационным термоэлементами, включенными в обособленные измерительные мосты, и усилителями, отличающийся тем, что, с целью приведения замкнутой системы автокомпенсации разбаланса моста к одноконтурной системе автоматического регулирования, измерительные мосты включены непосредственно в ко,1лекторную цепь оконечного каскада усилителя переменного тока,

на вход которого через трансформатор подан сигнал разбаланса моста. 7 ла, базы оконечных каскадов усилителей активного и эталонного мостов соединены посредством синхронизирующей емкости либо 8 посредством выходной цепи общего блокинггенератора, схемно совмеш.енного с оконечным каскадом одного нз усилителей.

7

/оСН,.-

длч .

о.с

Ki к

-J4JLo,

Фиг.з