Газоанализатор с время-импульсным выходным сигналом Советский патент 1980 года по МПК G01N21/26 

(54) ГАЗОАНАЛИЗАТОР С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЬ Г- ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМI

J

ник излучает поочередно на рабочей и эталонной длинах волн. Поток излу чения проходит кювету с исследуемьом. поглошающим газом и попадает на приемник излучения, причем поток излучения эталонной длины волны проходит кювету без поглощения его газовым ксяипонентом анализируемой газовой смеси, а излучение рабочей длины поглощается углекислым газом. Мощность инфракрасного потока радиации, поступающего на приемник, пропорциональна пропусканию углекислого газа в анализируемой смеси при излучении рабочего элемента. Сигналы, снимаемые с приемника, усиливаются малошумяцим предусилителем и усилителем, а затем разделяются на рабочий и эталонный сигналы схемой переключения, включающей транзисторные ключи и схему запоминания нулевого уровня, а затем поступают на синхронные детекторы, где происходит преобразование переменных сигналов в постоянные напряжения. Преобразование этих напряжений в выходной сигнал, пропорциональный концентрации углекислого газа, осуществляется схемой преобразования, в которой из эталонного напряжения вычитается напряжение рабочего канала и осуществляется коррекция. Напряжение с синхронного детектора эталонного канала изменяет питающее напряжение светодиодов таким образом чтобы поддерживать постоянным напряжение на Выходе синхронного детектора эталонного канала.

Недостатком такого газоанализатор является довольно сложная схема выделения- сигнала, включающая исключительно узлы аналогового преобразования, от большинства из которых требуется высокая точность преобразования Отрицательная обратная связь по эталонному сигналу, изменяющая питащее напряжение на источнике радиации, с одной стороны, имеет глубину, огранчиваемую условиями устойчивости, с другой стороны, компенсирует изменения параметров только оптической, а также той части электронной схемы которая является общей для рабочего и эталонного каналов.

Кроме того в известных газоанализаторах, как правило, выходным сигналом электронной схемы является аналоговый сигнал (чаще напряжение) ЧТО: вызывает необходимость использования еще отдельного отсчетного устройства, погрешность которого значительно снижает общую точность газоанализатора и требует существенных дополнительных аппаратурных затрат. Известен газоанализатор с времяимпульсным выходным сигналом - прототип, содержащий источник излучения с двумя излучателями, коммутатор, кювету с анализируемой газовой

смесью, приемник излучения и схем выделения сигнала, включаюиую три сравнивающих устройства, устройство формирования и интегратор, причем выходы сравнивающих устройств подключены ко входам устройства формирования, последнее через коммутатор связано с двумя излучателями, вход интегратора соединен с выходом привиника излучения, а выход интегратора подключен к входам сравнивающих устройств Г31

Сигнал с выхода приемника излучения поступает непосредственно на интегратор, что позволяет снизить влияние шума во входном сигнале. Работа схемы выделения осуществляется в два такта. В первом такте интегрирования излучает рабочий светодиод, и на выходе интегратора напряжение линейно возрастает пропорционально интенсивности источника,пропусканию оптического тракта (с учетом поглощения измеряемым компонентом) и чувствительности приемника. По достижении выходным напряжением интегратора определенного уровня срабатывает первое сравнивающее устройство и начинается второй такт, заключающийся в том, что вместо рабочего светодиода включается эталонный. При этом напряжение продолжает расти но с большим наклоном, который пропорционален интенсивности эталонного светодиода и чувствительности приемника. Напряжение на выходе интегратора линейно возрастает до достижения им следующего уровня, что приводит к срабатыванию сравнивающего устройства, и заканчивается второй цикл измерения, а электронная схема выделения сигнала возвращается в исходное состояние. Отношение длительностей первого t и Ьтррого t тактов равно

l .

lo

где R , R.J - сопротивления, устанавливающие уровень срабатьшания устройств; о о . начальные интенсивности светодиодов, эталонного и рабочего соответственно ;

- коэффициент поглощения; L - длина оптического пути

поглощения.

Как следует из приведенного выражения выходной сигнал нелинейно связан с концентрацией (с) измеряемого компонента. Поэтому основным недостатком такого газоанализатора является :весьма узкий диапазон измеряемых концентраций, где соблюдается линейная зависимость выходного относительного интервала времени (,) от

измеряемой концентрации (с).Так, при допустимой погрешности линейное ти 0,1% оптическая плотность (cL) не должна превышать величины cL « 0,002. Включение с целью линеаризации статической характеристики газоанализатора логарифмических преобразователей, основным элементом которых являются операционные усилители, существенно снижает точность измерения за счет наличия значительного температурного и временного дрейфа нуля операционных усилителей что недопустимо для автоматических газоанализаторов, находящихся в автономных условиях, исключающих частую коррекцию их параметров, например в труднодоступных местах,кроме того эти устройства имеют неустранимую погрешность несоответств выходной характеристики газоанализатора идеальному логарифму, которая, например, для модуля 755 составляет погрешность, приведенную ко входу 0,5% (Справочник по нелинейны схемам , М., 1977, с. 441).

Важно также отметить, что при отклонении закона поглощения от экспоненциального, имеющего место в действительности, применение логарифмических преобразователей не позволяет получить высокую линейность статической характеристики.

Целью изобретения является повышение линейности статической характеристики газоанализатора с время-импульсным выходным сигналом.

Указанная цель достигается тем, что известный газоанализатор снабже делителем тока, полупрозрачным зеркалом, установленным в кювете с анализируемой газовой смесью, дополнительным приемником излучения и дифференциальным интегратором, один из входов которого через ключ, связанный с устройством формирования, соединен с основным приемниксм излучения, а к второму входу интегратор подключен дополнительнЕдй приемник излучения , вход дополнительного приемника излучения потоком излучения связан с полупрозрачньм зеркалом, а выходы делителя тока через коммутатор связаны с источником излучения.

На чертеже показана структурная схема газоанализатора с время-импулным выходным сигналом.

Газоанализатор в.ключает источник инфракрасной радиации 1, состоящий из двух излучателей - светодиодов, выполненных конструктивно в едином корпусе, кювету 2 с анализируемой газовой смесью, полупрозрачное зеркало 3, установленное внутри кюветы на заданном расстоянии от источника излучения 1, два приемник излучения, основной 4 и дополнительный 5, дифференциальный интегратор

6 с ключом 7 на входе, который связан с основным приемником 4, три сравнивающих устройства 8, входы которых Подключены к выходу интегратора 6, устройство формирования 9, один из выходов которого связан с коммутатором 10, установленным на входе источника излучения 1, и делитель тока 11.

В исходном состоянии излучение от источника 1 отсутствует, так как об0щая цепь от источника питания разорвана (1„|„ 0), ключ 7 замкнут на землю, а выходные напряжения интегратора 6 и устройства формирования 9 равны нулю (ключи установки исход5ного состояния на чертеже не показаны) .

Измерение концентрации осуществляется в два такта по методу, двухтактного интегрирования, аналогично прототипу. В первом такте интегрирова0ния в момент г подачи импульса пуск от блока управления (на чертеже не показан) рабочий и эталонный светодиод поочередно подключаются через коммутатор 10 и делитель то5ка 11 к источнику питания, причем .ток питания эталонного светодиода вдвое превышает ток питания рабочего светодиода. Напряжение на выходе интегратора 6 начинает линейно расти

0 пропорционально напряжению дU, снимаемому с дополнительного приемника излучения 5, в соответствии с выражением

35

t.-c,,

и„ J.dt- J(2u,-U,J)dt,

где Rg-s постоянная интегрирования по входу интегратора 6, связанному с дополнительным приемником излучения.

По достижении им уровня J в момент -tTg срабатывает первое сравнивающее устройство 8, аналогичное про5тотипу, и устройством 9 начинается формирование измерительного интервала t . Напряжение U в мсмент т.,, равно.

Н вЬ-Ь

22 .

По достижении уровня и,, в момент Tj, срабатЕлвает второе сравнивающее устройство 8, устройствет 9 заканчивается формирование измерительного интервала t и начинается формирование измерительного интервала t2,.a также осуществляется подключение основного приемника 4 через замкнутый в момент -с ключ 7.к интегратору 6 и переключение коммутатора 10 так, что во втором так7-е излучают одновременно эталонный и рабочий светодиоды, причем через эталонный светодиод задается делителем 11 в.два раза больший ток, чем через рабочий. Напряжение U в

равно

момент -г.

dt 2. г Qi С момента tg начинается второй цикл , измерения. Напряжение на выходе интегратора 6 во втором такте продолжает линейно нарастать в соответствии с выражением |(2и,). -R.lC2U3,-rU )dt. По достижении уровня U в момент t срабатывает третье сравнивающее устройство 8 и устройством .9 заканчивается формирование измерительного интервала. В момент х, устройство управления разрывает клЛч 7, обнуляет интегратор 6 и возврашает коммутатор 10 в исходное положение. На этом заканчивается цикл измерения. Опорные напряжения U , U, U сравнивающих устройств 8, аналогично прототипу, задаются блоком опорных напряжений посредсвгвом резистивного делителя R , R,, R. Так им образом

г .,

Коэффициент К зависит от изменений источника напряжения, и остается постоянным при действии дестабилизирующих факторов, которые в одинаковой мере будут влиять на эти сопротивления. С другой стороны, справедливы равенства:

)

.

Л .R JC---..) о

1 1 о

, 2

J Ч

Выбирая получим

3;

R,C,- - R,C 3C2U3,-O-t,

t.3r2U,,Up)-t24T JpJ

С другой стороны, входные напряжения интегратора 6 функционально связаны с концентрацией (с) анализируемого компонента следующими соотношениями :

-елл

гОэт- эт-е

г 3

..}-.. зСги. ,г п и н л б х т

-есе

3 g-e

2-е 443е « 3

з(2+е))

Используя разложение экспоненциальной зависимости в ряд Маклорена и ограничиваясь членом разложения 4-й степени относительно переменной ,с2 получают

-есе

45 ±А

2-е

Т

S 4Чз-Х «МС «)-|(есг).2 СесеГ..-р-зш

-ес«

2-е

|(.cef-l-cteq actce) 6-3Ct«)4(eu)-|(ce)i...

Дал-ее, осуществляя деление многочлена на-многочлен, получают

b:-3/ae-)i

.|(t)2.|(ce)3-12(tte)S... -

±(um...Oi-i(t«).|((ce).,.

Учитывая, что в знаменателе. )-|(се)-||(.сеЛ... rtCt).(,) П . - коэффициент поглощения анализируемого газа; Р и ЗЕ - расстояния от источника излучения 1 до дополнительного приемника излучения 5 и основного приемника б соответственно. и таком соотношении расстояний ников -излучения до источника ранных постоянных интегрироватношения измерительных интервае включают квадратичнЕлх .и кух членов разложения в ряд вый характеристики газоанализа2U T-U,T е e«)-C2U

разлагают второй сомножитель в ряд, рграничиваясь членом 4-й степени разложения, при этом после умножения многочлена на многочлен получают окончательно следующее выражение :

((кеА...

где

Как следует из приведенного выражения выходной сигнал t /t не содержит квадратичного и кубичного членов разложения. Нелинейность в этом случае определяется слагаемым четвертой степени,при этом погрешность нелинейности при отбрасывании члена пятой степени равна

)

Выражение для погрешности линейности показывает, что при заданной погрешности нелинейности 0,1% приведенный диапазон измерения с 0,1, что в 50 раз больше,чем при отсутствии линеаризации (при экспоненциальной зависимости поглощения) .

Применение мультипликативного алгоритма для линеаризации статической характеристики газоанализатора значительно эффективней, чем использование известных логарифмических устройств, и позволяет сущесгвенно снизить аддитивную и мультипликатну составляющие погрешности газоанализатора, что особенно важно при долговременном режиме бесподстроечнбй работы.

Следует отметить, что процесс линеаризации может быть осуществлен и при отклонении закона поглощения от экспоненциального (что имеет место на практике) изменением коэффициентов передачи делителя тока и постоянных интегрирования R С и интегратора 6,

Линеаризация статической характеристики газоанализатора с исключением квадратичного и кубичного членов разложения в ряд обеспечило повышение линейности преобразования в указанном диапазоне измерения с Ifn 45% . При заданной погрешности линейности газоанализатор позволяет существенно расширить диапазон измеряемых концентраций, что даст возможность использовать в информационно-измерительных системах с большим числом измеряемых компонент в сложной газовой смеси, обеспечивая возможность суммирования сигналов отдельных каналов непосредственно на выходе датчиков в,информационно-измерительных системах и тем самым разгружая память универсальной вычислительной машины.

Формула изобретения Газоанализатор с время-импульсньом

выходным сигналом, содержащий источник излучения с двумя излучателями, коммутатор, кювету с анализируемой газовой смесью, приемник излучения, интегратор и схему выделения сигнала, включающую три сравнивающих

устройства, устройство формирования и интегратор, причем выходы сравнивающих устройств подключены к входам устройства формирования, которое

через коммутатор связано с двумя излучателями, вход интегратора соединен с выходом приемника излучения, а выход интегратора подключен к входам сравнивающих устройств, о т л ичающийс я тем, что, с целью повышения линейности статической характеристики, он снабжен делителем тока, полупрозрачным зеркалом,установленным в кювете с анализируемой газовой смесью, дополнительным приемниксм излучения и диффере нциальныи интегратором, один из входов которого через ключ, связанный с устройством формирования, соединен с основным приемником излучения, а к

второму входу интегратора подключен дополнительный приемник излучения и вход дополнительного приемника излучения потоком излучения связан с полупрозрачным зеркалом, а выходы

делителя, тока через коммутатор связаны с источником излучения.

И::точники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3614431, G 01 N 21/26, 1971 .

2.Авторское свидетельство СССР 569916, кл. G 01 N 21/26,1974.

3 . Авторское свидетельство СССР I 2350319/18-25,0 01 N 21/34,1977.