Газоаналитическое устройство Советский патент 1980 года по МПК G01N3/02 

(54) ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к аналитиче кой технике и может быть использовано в. автоматизированных системах газового анализа, а также для приготовления контрольных газовых смесей и градуировки газоанализаторов. Известны устройства для приготовления газовой смеси заданного состава, которые можно применять для газового анализа. Изменяя концентрацию исследуемого компонента в приготовляемой смеси и периодически переключая входные каналы датчика на исследуемую и приготовляемую смеси, добиваются равенства выходных сигнилов датчика для обоих каналов и по известной в момент равенства концентрации компонента в приготовляемой смеси определяют искомую концент рацию в исследуемой смеси 1. Недостаток этих устройств - низкое быстродействие и производительность, большой расход эталонных газов, периодичность работы и использование зромоздкой аппаратуры; баллоны, калиброванные сосуды, маномет ры, регулируемые вентили, соединительная арматура. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является газоаналитическое устройство, содержшяее последовательнр,-соединенные смеситель, датчик и блок сравнения, выход которого соединен с первыми входами смесителя и блока регулирования, первый выход которого соединен со вторым входом смесителя 2. Недостаток устройства - низкая точность анализа, которая выражается в слабой чувствительности к изменению концентрации контролируемого газового ксяипонента, обусловленная его значительным разбавлением на входе устройства. Цель изобретения - повышение;точности и быстродействия газоаналитического устройства. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство включены ВЕЛчислительный блок, коммутатор и два блока перезаписи, выход первого из которых соединен со вторым входом блока сравнения, информационный выход с выходом датчика, а управляющие входы блоков перезаписи подключены ко второму выходу блока регулироваяия, третий выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, второй вход которого подключен к выходу второго блока презаписи, а выход - к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен выходом блока сравнения. На чертеже приведена блок-схема предлагаемогр технического решения, где обозначэны входные газовые тракты устройства для ввода исследуемой смеси, газа-носителя и чистого газа соответственно, 1, 2, 3 смеситель 4 двухвходовый клапан 5, газораспределительный узел 6, датчик 7, блок 8 сравнения, первый блок 9 перезаписи, четвертый вход 10 устройства для ввода калибровочного значения выходного сигнала датчика, блок Ирегули рования, шаговый двигатель 12, датчик 13 граничных положений 13, генератор 14 импульсов, реверсивный счет чик 15, второй блок 16 перезаписи, коммутатор 17, вычислительный блок 1 пятый вход устройства для ввода вели чины базисной концентрации С, соответствующей базисной калибровочной величине N выходного сигнала датчика 19, шестой вход 20 устройства для ввода величины базисного коэффициента дозирования Kj, выход 21 устройства. Исследуемая смесь, содержащая искомую концентрацию С компонента, газ-носитель () и чистый газ (100%-ная концентрация компонента) поступают через входные газовые трак ты устройства 1, 2, 3, соответственно на входы смесителя 4, включающего в себя двухвходовый клапан 5 и газораспределительный узел 6. Входной газовый тракт 1 соединен с одним входом газораспределительного узла 6 а входные газовые тракты 2, 3 через двухвходовый клапан 5 соединены со вторй-лм входом газораспределительного узла 6, выход которого соединен с входным газовым трактом датчика 7, Двухвходовый клапан 5 предназначе( для случая, когда в момент включения устройства коцентрация С исследуемо смеси меньше величины калибровочного значения Сц и для определения началь ной концентрации на второй вход газо распределительного узла 6 подается чистый Газ, после определения началь ной концентрации в течение всей даль нейшей работы устройства на второй вход газораспределительного узла б подается газ-носитель, Газораспределительный узел б предназначен для дозированного jизменения во входном газовом тракте датчика 7 объемного с отношения двух газбвых потоков. Выход датчика 7 соединен с одним входом узла 8 сравнения и с первым информационным входом первого -блока 9 перезаписи, выход которого соединен со вторым входом блока 8 сравнения, Второй информационный вход первого блока 9 перезаписи соединен с четвертым входом 10 устройства для ввода калибровочного значения N,, соответствующее величине калибровочной концентрации Ск. датчика 7, В блоке 11 регулирования объединены шаговый двигатель 12, датчик 13 граничHfciix положений, генератор 14 импульсов и реверсивный счетчик 15, Выход генератора 14 иг.л1ульсов соединен с счетным входом реверсивного счетчика 15 и с входомшагового двигателя 12, ось которого.механически связана с входом датчика 13 граничных положений, а также .через первый вход блока 11 регулирования и второй управляющий вход смесителя 4 с управляющим входом газсэраспределительного узла 6, Для установки шаз ового двигателя 12 в положение, обеспечивающее разбавление исследуемой смеси до степени, равной базисному коэффициенту разбавления К, а также для установки в реверсивном счетчике 15 числа, пропорционального значению базисного коэффициента разбавления К , одни управляющие входы их соединены с выходом датчика 13 граничных положений, а вторые управляющие входы, через которые осуществляется реверс и останов, соединены через первый вход блока регулирования с выходом блока 8 сравнения. Выход датчика 13 граничных положений соединен также через второй выход блока 11 регулирования с управляющими входами первого блока 9 перезаписи, второго блока 16 перезаписи и коммутатора 17. Первый блок 9 перезаписи предназначен для подачи в начальный момент анализа на второй вход блока 8 сравнения значения величины Кц,соответствующей калибровочной величине концентрации Сц,и в дальнейшем,при работе устройства в следящем режиме,в моменты достижения датчиком граничных положений 13 одного из граничных значений Кц, Kg, мгновенно значения выходного сигнала датчика ,- , соответствующего новой базисной величине концентрации С и хранения его значения до следующего срабатывания датчика 13 граничных положений. Второй блок 16 перезаписи предназначен для подачи в начальный момент анализа на один из входов вычислительного блока 13 значения величины концентрации С,;, соответствующей калибровочной точке N и в дальнейшем, при работе устройства в следящем режиме, в моменты достижения датчиком граничных положений 13 одного из граничных значений К, Kg мгновенного значения искомой концентра11ии С, определяемой вычислительным блоком 18, и хранения этого значения до следующего срабатывания датчика граничных положений 13. С этой целью один информационный вход второго блока 16 перезаписи соединен с входом 19 устройства для ввода величины концентрации Сц, соответствующей калибровочному значению концентрации NK, а второй вход - с выходом вычислительного блока 18. Информационный вход реверсивного счетчика 15 через второй вход блока 11 регулирования соединен с входом устройства 20 для ввода величины базисного значения коэффициента дозирования Kj. Реверсивный счетчик 15 предназначен для формирования и подачи на второй вход вычислительного блрка 18 значения, пропорционального текущей величине степени разбавления исследуемой смеси. В вычислительном блоке 18 искомая концентрация определяется посредством выполнения опер ции KfftAK если к моменту начала анализа C.,C то первое вычисление концентргщии С в вычислительном блоке 18 производится по формуле Считывание результатов осуществляется в момент равенства сигналов на информационных входах блока 8 сравне ния. С этой целью выход вычислительного блока 18 через коммутатор 17 соединен с выходом устройства 21, Работу устройства можно условно подразделить на 3 этапа, 1-ый этап. Определение начальной концентрации компонента - временной интервал tg-t , Перёд началом работы в устройство вводят исходные данные: калибровочно значение N выходной величины датчика - вход 10, соответствующую ему величину калибровочной концентрации Сц и величину базисного коэффициента Кд- - входы 19, 20. К моменту tj, двухвходовый клапан 5 закрыт для подачи разбавляющего газа во второй вход газораспределительного узла 6, в котором установле коэффициент разбавления , т,е, вся исследуемая смесь с концентрацией С ,с. исследуемого компонента поступ ет во входной газовый тракт датчика 7. Выходной сигнал датчика 7, принимающий значение N, соответствуюшее мгновенному значению коцентрации С поступает на первый вход блока 8 сра нения, на второй вход которого со входа 10 через первый блок 9 перезаписи поступает базисное калибровочное значение выходного сигнала датчика 7 N, соответствующее базисной калибровочной концентрации CK, При сравнении этих величин узел 8 сравнения формирует один из трех сигналов Sign{N N) , Sign() , Sign(,) .По сигналу Sign(,(1 через двухвходовый клапан 5 во второй вход газораспределительного узла б подается чистый газ; ось шагового двигателя 12 повертается на угол, обеспечивсцощий разбавление исследуемрй смеси Сх в степени К до момента равенства значений на входах узла 8 сравнения, так как исследуемая смесь разбавлена до базисной калибровочной величины С, в реверсивном счетчике 15 формируется число, пропорциональное К; определение искомой концентрации в вычислительном блоке 18 по формуле c -iooK к По сигналу Sign() через двухвходовый клапан 5 во второй вход газораспределительного узла б подается газ-носитель; ось шагового двигателя 12 повернется на угол, обеспечивающий разбавление исследуемой смеси в степени ,37 до момента равенства сигналов на входах блока сравнения 8; в реверсивном счётчике 15 .сформиру-. ется число, пропорциональное ,37; определение концентрации в вычислительном блоке 18 производится по формуле 2-ой этап. Подготовка устройства для работы в следящем режиме. Двухвходовый клапан 5 в течение всей дальнейшей работы устанавливается в положение, при котором исследуемая смесь разбавляется только газом-носителем. Ось шагового двигателя 12 поворачивают на угол, обеспечивающий разбавление исследуемой смесь 15, записывается число, пропорциональное ,80, В первый блок 9 перезаписи с выхода датчика 7 записывается значение его выходного сигнала , соответствующее концентрации, разбавленной в степени К - новое базисное значение Ыдц взамен калибровочного значения N, а во второй блок 16 перезаписи с выхода вычислительного блока 18 записывается, значение, вычислительной концентрации К - новая базисная величина концентрации взамен прежней С,, 3-ий этап. Работа устройства в следящем режиме. При изменении концентрации С компонента в исследуемой смеси (временной интервал t2.-t3) , относительно вычисленной Cj, нарушается условие равновесия величин на входах блока 8 сравнения и по обратной связи блока 8 сравнения - шаговый двигатель 12 - газораспределительный узел 6, Это изменение компенсируется посредством соответствуюгаего разбавления исследуемой смеси во входном тракте дачтика 7. С этой целью импульсы с генератора 15 поступают одновременно, на входы шагового двигателя 12 и.реверсивного счетчика 15, на управляющие входы .которых поступает сигнал с выхода блока 8 сравнения, осуществляющий соответствующее их реверсирование. Сформированные в реверсивном счетчике 15 текущие значения коэффициентов разбавления и базисное значе,Мие концентрации Cj поступают на вхо ды вычислительного бло.ка 18, где осуществляется операция вычисления окончательных результатов С 4 считываемых в моменты равновесия следящей системы через коммутатор 17 на выход устройства 21. При изменении концентрации компонента в исследуемой смеси в ту или иную сторону до величины, которую необходимо разбавить с коэффициентом разбавления равным граничному К« ил К, ось шагового двигателя 12 повора чивается на соответствующий угол, в результате чего срабатывает датчик граничных положений 13, управляющий сигнал с выхода которого осуществля ет: установку оси шагового двигател 12 в положение, обеспечивающее разбавление смеси в степени, равной базисному значению коэффициента раз бавления Kjf, а в реверсивном счетчи ке 15 соответствующее ему число, пропорциональное , с выходов датч ка 7 и вычислительного блока 18 в п вый и во второй блоки 9, 16 перезап си записываются текущие значения, которые принимают в момент tJBЫxoдиого сигнала датчика 7 . и вычисленное значение концентрации соответственно - новые базисн значения, относительно которых опре деляется; концентрация При работе устройства в следующем интервале tj-t. Работа устройства в последующих интервалах . т.д. аналогична работе в описанном выше интервале . . Таким образом устройство позволя ет при значительном разбавлении исследуемой смеси начальном этапе. анализа произвести первое вычислени концентрации с точностью, не завися щей от степени разбавления, а все последующие изменения (±С) в широком диапазоне определяется npk н-езначительном разбавлении смеси (на диаграмме Фиг. 2 для наглядности диапазон степени разбавления вмбра в пределах Кц-гКв 0,7-0,9, практически его можно эыбрать в более узких пределах, близких к единице), что не снижает реакции датчика к незначительным изменениям с. Кроме того на точность анализа не влияет Нелинейность выходной характеристики датчика, более того, требуемая информация о виде,характеристике заключается в данных лишь об одной калибровочной точке. Это обстоятельство значительно снижает требования к датчикам - основным узлам газоаналитических систем, не требует расхода большого количества дорогостоящих эталонных газовых смесей для снятия характеристики и принят1 я специальных мер для ее линеаризации (применение чистого газа - 100%-ной или другой эталонной .концентрации исследуемого компонента необходимо лишь в начальной стадии анализа и не во всех случаях). Эти факторы позволяют повышать точность и быстродействие анализа без увеличенияаппаратурных затрат, неизбежных при достижении этой цели известными устройствами. Формула изобретения Газоаналитическое устройство,содержащее последовательно соединенные смеситель,датчик и блок сравнения,выход которого соединен с первыми входами смесителя и блока регулирования, первый выход которого соединен со вторым входом смесителя,о т л и ч аю щ е е с я тем,что,с целью повышения точности и быстродействия устройства в него введены вычислительный блок,коммутатор и два блока перезаписи, выход .первого из которых соединен со вторым входом блока сравнения, информационный вход - с выходом датчика, а управляющие входы блоков перезаписи подключены ко второму выходу блока регулирования, третий выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, второй вход которого подключен к выходу второго блока перезаписи, а выход к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1..Коллеров Д.К. Средства для приготовления поверочных газовыхсмесей и поверки газоанализаторов. Измерительная техника , 1975, 6. 2.Авторское свидетельство СССР № 321719, кл. 2 G 01 N 7/00,12.03.69 (прототип).,