Устройство для измерения концентрации озона в воздухе-кислороде Советский патент 1982 года по МПК G01N27/22 

(54) УСТРОЙСТВО ЛЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В ВОЗДУХЕ - КИСЛОРО/Е

1

Изобретение относится к измерительгной технике и может быть использовано для определения концентрации озона в озоно- оздушных и овоно-кислородных газовых смесях в условиях их промьпиленного производства и использования.

Известно устройство для определения содержания озона в всхздухе и кислороде, работающее по принципу измерения теплопроводности, и содержащее регулятор расхода газа, два нагревателя, рабочий и эталонный чувствительные элементы (терморезисторы с большим температу| ным коэффициентом), включенные в мостовую схему, и показывающий прибор.

Наличие ; двух чувствительных элементов псхзволяет получить при нулевой концентрации озона нулевые показания прибора и производить балансировку. Это достигается следующим образом. После регулятора расхода газовая смесь разделяется на два потока. Один проходит нагреватель и рабочий чувствительный элемент, другой - нагреватель и эталонный чувствительный элемент. В нагревателях производится разложение озона. При балансировке мостовой схемы (установке нулевых показаний) включаются оба нагревателя, и поэтому через оба чувствительные элементы пропускается газ одинакового состава. При измерении нагреватель рабочего чувствительного элемента отключается и через этот элемент

fg пропускается газ, содержащий озон. Это вызывает изменение сопротивления рабочего чувствительнсяго элемента, балансировка моста нарушается и сигнал разбаланса, пропорцисжальный содержанию озо15 иа, фиксируется показывающим прибором 1|.

Недостатком данного устройства яв- . ляется применение ручной балавсирсжки нуля, периодичность и качество которой влияют на точность измерения. Zlna обес20 печения стабильности показаний в дяапазоие рабочихусловий требуется иденгичиость рабочего и эталоиного чувствятет иых влементов, чего на практяке достичь иевозможио. Кроме того, применяемый в качестве чувствительных элементов мате риал имеет низкую коррозионную стойкость к активным веществам, летучим перекисям и растворителям, что снижает надежность устройства, а применение 4яшьтров для очистки газовых смесей от . корродирующих: примесей усложняет его sKcmryia тацию. Наиболее близким к изобретению яв.ляется газоанализатор диэлькометрический ОЗОН-З, содержащий емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий UCконтур ВЧ-генератора, две ячейки разложения озона, два одновходовых клапана, усилитель-ограничитель, кварцевый частот ный детектор, схему сравнения, источник опорного напряжения, усилительпостоянного тока, реверсивный электродвигатель замедляющий механический редуктор и компенсирующий конденсатор переменной емкости, блок управления и самопишущий потенциометр. Работа газоанализатора заключается Б попеременном чередовании циклов установки нуля и измерения, в соответстви с командами блока управления. При этом через емкостный датчик-ячейку пропускается либо исследуемая озоно-воздущная (кислородная) смесь, либо опорная, т. е. не содержащая озона. Приготовление опо ной смеси производится путем пропускания исследуемой газовой смеси через ячейку разложения озона. Во время установки нуля через емкос ный датчик-ячейку пропускается опорная газовая смесь. Одновременно по команде блока управления включается реверсивны электродвигатель и через замедляющий -.редуктор начинает вращать ротор компен сирующего конденсатора переменной емкости, включенного в частото-чзадающую шпь ВЧ-генератора. Частота генератора при этом изменяется до тех пор, пока не примет некоторое определенное значение, при котором сигнал с частотного детектора сраняется с сигналом источника опорного напряженияВ этот момент исчезает сигнал с выхода схемы сравнения, и реверсионный двйГатель перестает вращать ротор ком- пенсщзующего конденсатора. В дальнейше любые изменения частоты генератора, вы зываемые дрейфом или изменением соста ва неконтролируемых компонентов исследуемой газовой смеси, компенсируются системой слежения (усилитель постоянного тока, реверсивный двигатель, реуктор, компенсирующий конденсатор). о Bpetv H цикла измерения реверсивный лектродвигатель отключается, а через мкостный датчик-ячейку начинает проодить исследуемая озоно-воздушная (кислородная) газовая смесь. Частота Ч-генермтора изменяется, и это измеение, пропорциональное концентрации озона, фиксируется самопишущим потениометром. Применение взамен ручной корректировки системы автоматической установки нуля значительно усложнило прибор. Поскольку фиксируемые в процессе работы прибора изменения частоты малы, установка начальной частоты ВЧ-генератора системой слежения должна производиться с точностью до 10 , в то время как собственная частота ВЧ-генератора равна 3,5-1О Гц. Это достигается применением сложной безлюфтовой электромеханической системы слежения, включающей в себя реверсивный электродвигатель, механический замедляющий редуктор и компенсирующий конденсатор переменной емкости. Причем в качестве компенсирующего конденсатора применено специально разработанное устройство для плавной настройки на заданную частоту, содержащее конденсаторы грубой и плавной настройки и систему компенсации нелинейности диапазона перестройки 2.1 . Недостатками устройства является то, что изготовление элементов слежения требует высокочастотного оборудования, а эксплуатация - тщательного ухода. Работа системы в непрерьюном режиме- неизбежно приводит к появлению механических люфтов, что снижает точность устройства и его надежность. Применение кварьцевого частотного детектора вызьгоает явление затягивания им частоты В Ч- генератора, что усложняет процесс элект рической наладки. Цель изобретения - упрощение устройства для измерения концентрации озона в воздухе - кислороде при одновременном повышении его точности и надежности: Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения концентрации озона в воздухе - кислороде, содержащее емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий UC-контур ВЧ-генератора, дав.ячейки разложения озона, два одновходовых клапана и блок управления, дополнительно введеий двухвходовая и -четыреявходовая схемы И, инвертор, асинхронный Л -триггер и последова59телъно включенные двоично-десятичный реверсивный счетчик, регистр памяти и цифроаналоговый преобразователь, а блок управления выполнен в виде трех слем И включенных последовательно скварцевым генератором прямоугольных импульсов, четырех Т-триггеров, причем входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика связаны соответственно с выходами двухвходовой и четырехвходовой схем И, первые входы которых связаны с выходом ВЧ-генератора, а второй вход двухвходовой схемы И и вход Сброс асинхрсжного А 5-триггера связаны с выходол7первой схемы И блокаупр ения, первы вход которой и управляющий вход первого клапана св$1заны с выходом Q четвертого Т-триггера блока управления, с выходом Q которого связаны второй вход четырехвходовой схемы И и управляювдий вход второго клапана, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первой схемы И блока управления связаны с выходом Q третьего T-Tpmsгера. а четвертый вход четырехвходовой схемы И связан с выходом О асинхронного R5 -триггера, вход S которого через инвертор связан с выходом Заем реверсивного счетчика, вхоаСброскотороготерез вторую схему И блока управления связан с выходами Q второго и четвертого Т- триггеров и выходами Q пераого и третьего Т-триггерсю и вход Запись ретчютра памяти через третью схему И блока управления связан с выходом Q четвертого Т-триггера к выходами Q остальных Т-трнггеров. Применение двоично-десятичного реверсивного счетчика в сочетании с двух- и четырехвходовой схемами И позволяет выделить пропорциональную кон1юнтрашш озона разность частот ВЧнгенератора при последователыюм пропускании через емкостный датчик-ячейку воздуха (кислорода) и озоно-воздушной (кислородной) смеси. При этом исключается необходи: мость в регулярной подстройке исходной частоты ВЧ-генератора. Выполнение блока управления в виде трех схем И и четырех Т-триггеров, включенных последовательно с кварцевым генератором прямоугольных импульсов, обеспечивает при минимальном числе элементов и функхяональных связей выполнение заданного алгоритма работы: попеременную подачу в датчик-ячейку воздуха (кислорода) и озононвоздушнрй (кислородной) смеся; управление работой реверсивного счетч 19ка, причем разрешение на счет выдается спустя время, необходимое для полной продувки датчика-ячейки, а время счета является оптимальным для получения необходимой точности; выдачу измерительной ин|)ормации йутем записи содержимого реверсивного счетчика в регистр памяти. На фиг. 1 представлена, блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма ршботы устройства. Устройство для измерения концентраши озона в воздухе - кислороде содер« емкостный датчик-ячейку 1, высокочастотный ЦОгенератор 2, одновходовый клапан для ввода в датчик 3 воздуха - кислорода, одновходовый клапан для ввода в датчик 4 озоно-воздушной смеси. 5 и 6 разложения озона, двухвхоД°вую схему И 7. четырехвходовую схему И 8, двоично-десятичный реверсивный счетчик 9, регистр 1О памяти, иифроаналоговый преобразователь 11, шгоертор 12, асинхронный R5 -триггер 13. блок 14 управления, состоящий яз квар« ого генератора 15 прямоугольных импульсов, последовательно включенных Т-триггеров 16 - 19, двухвходовой схемы и 20 и четырехвходовых схем И 21 «22. Причем емкостный датчик-ячейка 1 включена в задающий UC -«онтур ВЧгенератора 2, выход которого связан с входом 1 прямого счета реверсивного счетчика 9 двухвходовую схему : И 7, а с входом П обратного счета реверсивного счетчика 9 через четырехвхр довую схему И 8. Второй вход двухвхоДавЬ схёкш И 7 и вход R асинхронного Я§ -триггера 13 свхюатал с выходом схемы И 2О блока 14 управления, вкод I которой и управлякяпий вход одвовходового клапана 3 .связаны с выходом О Т-тригге а 19 блока 14 )глравлент, с выходом Q которого связаны вход Н четырехвходовой схемы И 8 и управляющий вход одаовходстого клапана 4. Вход |1 четырехвхооенвсЛ схемы И 8 в вход ц схемы И 20 блока 14 управления связаны с выходом Q Т- вггера 18, а вход {$ четыреосвходовой схемы И 8 ci зан с выходом Q асинхронного RS-триггера 13, вход S которого через итертор 12 связан с выходом Заем V реверсивного счетчика 9, вход Сброс которого Черев сэсему И 21 блока 14 управления связав с выходом Q Т-триг- - - --. геров 17 в 19 в выходами б( Т-Т{Штеров 16 в 18 блсяса 14 управленвя. Вход 79 J ретистра памяти lO связан с информационными выходами V реверсивного счетчика 9, а вход Запись if регистра 10 памяти через схему И 22 блока 14 управления связан с выходом Q Т-триггера 19 и выходами Q остальных Т-триггеров блока 14 управления. Блок 14 управления вырабатывает пбследовательность команд, управлянлцих работой клапанов 3 и 4 реверсивного счетчика 9 и регистра Ю памяти. Формирование команд производится следующим образом. Тактовые импульсы кварцевого генератора 15 поступают на последовательно соединенные Т-триггеры 16 - 19, кажды из которых делит частоту поступающих на него импульсов на два. Сформированные на выходах Q и Q Т-триггера 19 команды необходимой длительности управ ляют работой клапанов 3 и 4, обеспечивая попеременное их открьгоание. При открытом клапане 3 газовая смесь с вхо да через ячейку 5 разложения поступает в емкостный датчик-ячейку 1. Ячейка 5 разложения озона обеспечивает получение опорного, т. е. не содержащего озона, газа путем каталитического разложения озона до кислорода. При открытом клапане 4 газовая смесь, не меняя состава, поступает в датчик-ячейку 1. Таким образом обеспечивается попеременное прохождение через датчик-ячей; ку 1 исследуемого и опорного газов. Дл исключения выбросов озона в атмосферу газ с выхода датчика- чейси 1 проходит ячейку 6 разложения озона. Изменение состава газа, проходящего через датчикячейку 1, вызывает изменение частоты ВЧ-генератора 2, пропорциональное концентрации озона. Выделение изменения частоты производится путем последовательного запога1енйя реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧнпенератора 2, причем при прохождении опорного газа заполнение производится по прямому счету, а при прохождении исследуемого газа - по обратному. Формирование команды на заполнение реверсивного счетвика 9 по прямому счету осуществляется схемой И 20, обеспечивающей пропускание импульсов ВЧ-генератора 2 через схему И 7 на вход I счетчика 9 только при открытом клапане 3. Заполнение явного счетчика 9 в режиме обратного счета производится толъло при открытом клапане 4, когда совпадение логических единиц с выходов 98 Q Т-триггера 19 и Q Т-триггера 18 обеспечит прохождение импульсов ВЧгенератора 2 через схему И 8 на вход реверсивного счетчика 9. Счет импульсов реверсивным счетчиком 9 производится за вторую половину времени, в течение которого открыт план 3 или 4. Первая половина времени используется для продувки датчика-ячейки 1. Результатом последовательного заполнения реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧ-генератора 2 в режимах сначала прямого, а затем обратного счета является код 4---Ьз(,Х(1) где N - число импульсов на выходе IV реверсивного счетчика 9; з 1 к Р заполнения реверсивного счетчика 9 в режимах прямого или обратного счета; t; - время, в течение которого открыт клапан 3 или 4; f - частота ВЧ-генератора 2 при прохождении через датчик-ячейку 1 опорного газа; f - частота ВЧ- енератора 2 при прохожаении через датчик-ячейку исследуемой озоно-воздущной (кислородной) газовой смеси. В течение первой половины времени, когда производится продувка датчикаячейки 1 опорным газом (клапан 3 открыт), совпадение логических единиц с выходов Q-Т-триггера 19, Q Т-триггера 18, Q Т-триггера 17 и Q Т-триггера 16 на входе логической схемы И 22 формируется сигнал записи кода с выхода W реверсивного счетчика 9 в регистр 1О памяти. Далее этот код преобразуется цифро-аналоговым преобразователем в аналоговый сигнал. Через время, равное периоду прохождения тактсжых импульсов кварцевого генератора 15, после сигнал)а записи совпадение логических едшшц с выходов Т-триггера 19 и 17 и QT-триггеров 16 и 18 на входах схемы И 21 фор мирует сигнал установки реверсивного счетчика 9 в исходное состояние, поступающий на его вход W . Далее работа устройства повторяется. Если концентрация озона в исследуемом газе равна нулю, то результатом заполнения реверсивного счетчика 9 в режиме прямого и обратного счета должен быть код, равный нулю. За счет возможного дрейфа частоты ВЧ-генератора 2 код на выходе fi реверсивного счетчика 9 может принимать положительное или отрицатель ное значения. Причем последнее авфроаналоговым прео6раао1аателем веспринвмается как большая концентрация оэова. Исключение решстрации такого ложного сигнала в предлагаемом устройстве производится следующим образом. Пои появлении на выходе W реверсивного счет чика 9 в режиме обратного, счета кода, равного нулю на выходе 7 формируется короткий отрицательный импульс, которы через инвертор 12 поступает на вход 9 RS -триггера 13. RS-триггер 13 опрокидывается, и исчезновение логической единицы на его выходе Q запрещает прохождение импульсов ВЧ-генератора 2 через схему И 8 на реверсивный счеч чик 9, исключая тем самым регистращоо счетчиком 9 кода, юоответствующего. отрицательному значению дрейфа частоты ВЧ-генератора 2. Практической реализацией устройства является разработанный макет газоанализатора озона, в качес1ве элементной базы которого применены интегральные микросхемы серии К 155, ширсжие функциональные возможности, но недостаточное быстродействие. Поэтому частота ВЧ- енератора выбрана равной 5 МГц. Время продувки датчика-ячейки и время заполнения реверсивного счетчика импульсами ВЧ-че- нератора выбрано равным 7с. Диапазон измерения концентрации озона от О до 25 г/м . Получаемая при этом погрешность из-за дискретности преобразования составляет 1,5%. Снижение ее возможно либо увеличением частоты ВЧ-генератора т. е. переходом на элементную базу с большим быстродействием, либо увеличением времени заполнения реверсивного счетчика. Формула изобретения Устройство для измерения концентрации озона в воздухе - кислороде, содержащее емкостный датчик-ячейку, вклк ченную в задающий LC-вонтур ВЧ- енератора, две «гчейки разложения озона. 9 19 Щ ., два одвсюходовых клапана н блок управления, отличающееся тем, что, с целью упрснцения устройства при однсжременном повышении его точности и надежности, в него введены двухвхоаовая ичетырехв одовая схемы И, инверт«ч. асинхрснгаый Т 5-триггер в последовательно включенные /щовчно- десятичный реверсивный счетчнк, регистр памяти и цифро-аналоговый преобразователь, а блок управления выполнен в виде трех схем И, включенных последова- телгло с кварцевым генератором прямоугольных импульсов четырех Т-т1Жггеров, причем выход ВЧ- «нератора связан с входами прямого и обратнсиго счета реверсивного счетчика соответственно через двухвходовую и четырехвходовую схемы И, а второй вход двухвходовой схемы И и вход Сброс асинхронного RS -триггера связан с выходом первой схемы И блсика управления, первый вход которой н управляющий вход первого клапана связаны с выходом Q четвертого Т-триггера блока управления, с выходом 5 которого связаны второй вход четырехвходовой ехемы И и управлякшшй вход второго клапаиа, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первой схемы И блока управления связаны с выходом Q третьего Т-триггера, а четвер 1ЫЙ вход четырехвхоловой схемы И связан с выходом О асинхронного RS -триггера, вход S которого через инвертор связан с выходом Заем реверсивного счетчика, вход Сброс которого через вторую схему И блока упрг1вления связан с выходами § второго н четвертого Ттриггеров и выходами (j первого и третьего трштеро®. вход Запись регистра памяти через третью схему И блсжа управ ления связан с выходом С четвертого Т-триггера и выходами Q остальных Ттриггеров. Источники информации, принятые во внимание щл асспертиэа 1.0гопе Meter ллоаее н-во, фирма . etstoocb ,. ФРГ. Иаструкпю)г по аксплуагашш, 1964. 2. Газоанализатор диалькометричесКИЙ ОЗОН-3, ТУ-78, 5К1, 551,018.ТУ. Номер Госреестра 6428-77 (прототип).

Лмв еаэа

а

В

Ч

19

го

а

JJ

18

i

ff

а

п

ij

iMM

I

II

15

15

№

Выноб ,

6

газа

f

гтЭ

I

- t

I

V

J

-i

OF

ff

IZ

Д

I,

.

нов ntefneOato teHffametui IS

вию96 mpvteepaie

Btitoes mputtepan ВыяовЛ mfuttftm №

BtiMOf в IS Клапан } Клапан

Чветвта на вимвве аи- tfnepomopo Z

вияв9 еяени и Я

Частвта навимttcttMv 1

VKffWffiq NO ttitoet сдемн N f

м«9г«ем я // tirMf c«t/MM If О