Газоанализатор

 

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий первый полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления током нагрела , выход которого соединен с управляквдим входом ключа, второй полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирующий уси-литель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков соответственно , а выходы - к входам блока деления, выход которого соединен с регистратором, о т ли ч ающ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные электрохимический датчик, второй усилитель , сумматор, фильтр низких частот , третий усилитель, причем к инвертиру зЕ1ему входу сумматора подг ключен выход второго усилителя, к нeинвepтиpyкII e y входу сумматора выход блока деления, а выход третьего усилителя соединен с входом бло;ка управления током нагрева. сл о to СП

„.SU„„1056025 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(В 0 01 .Я 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3462444/18-25 (22) 23.04.82 (46) 23.11 .83. Бюл. Р 43 (72) В.С. Александров, A.Ô.бочаров,,Н.A. Давыдов, А.М. Корнеев и В.п. Котов (7i ) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53).543.274(088.8) (56) 1 Заявка ФРГ 9 2655271, кл. G 01 Я 27/16, 1979.

2. Патент США М 4012692, кл. 0 01 N 27/12, опублик ° 15.03.77 (прототнп ) . (54 ) (57 ) ГАЗОАИАЛИЭАТОР, содержащий первый полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления током нагре,ва, выход которого соединен с управлякщим входом ключа, второй полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирующий усилитель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков соответственно, а выходы - к входам блока деления, выход которого соединен с регистратором, о т л и ч а.ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные электрохимический датчик, второй усилитель, сумматор, фильтр низких частот, третий усилитель, причем к инвертирующему входу сумматора подключен выход второго усилителя, I к неинвертирукщему входу сумматора— выход блока деления, а выход третьего усилителя соединен с входом блока управления током нагрева.

1056025

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, .а игленно к измерению концентрации газов с помощью электрических и электрохимических средств.

Нзвестен гаэоаналиэатор с несколь- з кими полупроводниковыми датчиками, включенными в колебательные контуры, частоты которых сдвинуты (1 .

Низкая точность измерения данным газоанализатором обусловлена рядом 1О причин. К числу основных следует отнести влияение факторов .внешней среды, а именно температуры и влажности, изменение напряжения питания, отсутствие возможности избиратель- 15 ного измерения нескольких компонентов газовой смеси.

Полупроводниковые датчики характеризуются большой величиной дрейфа из электропроводности, которая обусловлена изменениегл каталитической активности поверхности полупроводников, т.е. изменением их чувствительности к анализуемым газам, в процессе работы, что также ограни,чивает точность измерения. В этом газоаналиэаторе устранены влияние температуры и влажности окружаищей среды, а также влияние изменения напряжения питания на измерение концентрации газов. Однако из-за неэнаЗо чительного диапазона изменений про— водимости полупроводниковых датчиков иод д ей ст вием и змеря емых ко нцен тр аций газов сигнал, снимаемый с диагонали мостовой схегы, обладает существенной нелинейностью, что приводит к снижении точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газоаналиэатор, содержащий первый полу-40 проводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления токогл нагрева, выход которого соединен с управляющим входом клю- 45 ча, второй полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирующий усилитель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого,и второго датчиков соответственно, а выходы — к входам блока деления, выход которого соединен с регистратором.

В этом газоаналиэаторе температура первого датчика изменяется между двумя фиксированными уровнями. При наименьшей температуре происходит измерение концентраций анализируемого компонента смеси, разогрев до второй более высокой температу- 60 ры обеспечивает очищение поверхности полупроводника от хемосорбированных молекул газов. Второй датчик разогревается до постоянной температуры, Выбирая соотношения температур разогрева первогЬ и второгб датчиков, можно добиться селективной чувствительности к тому или другоглу компоненту газовой смеси. После усиления и выполнения операции деления напряжения с выхода первого датчика на напряжение с выхода второго датчика получает ся сигнал, пропорциональ ный концентрации анализируемого компонента j2 3. Газоанализатор позволяет получить сигнал, не зависимый от изменения напряжения питания, температуры и влажности воздуха, однако обладает погрешностью, вызванной различной величиной дрейфа электропроводности полупроводниковых датчиков.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации газов газоанализаторог>> на основе полупроводниковых датчиков.

Указанная цель достигается тем, что газоанализатор, содержащий первый полупроводниковый датчик, нагревательная обмотка которого соединена через ключ с источником тока, блок управления током нагрева, выход которого соединен с управляющим входом клича, второй полупроводниковьй датчик г нагревательная обмотка которого подключена к источнику тока, интегрирующий усилитель и первый усилитель, входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков соответственно, а выходы — к входам блока Renewя, выход которого соединен с регистратором, введены последовательно соединенные электрохимический датчик, второй усилитель, сумматор, фильтр низких частот, третий усилитель, причем к инвертирующему входу сумматора подключен выход второго усилителя, к неинвертирующему входу сумматора— выход блока деления, а выход третьего усилителя соединен с входом блока управления током нагрева.

Возможность повышения точности изменения в предлагаемом гаэоанализаторе обусловлена тем, что в нем использованы датчики различных принципов действия. Это позволяет получить сигналы, пропорциональные концентрации газов, природа ошибок которых различна.

Последующей обработкой выходных сигналов датчиков удается получить сигнал, пропорциональный систематической погрешности измерения полупроводникового датчика, обусловленной дрейфом его проводимости. Сигнал используется для изменения температуры разогрева датчика до тех пор, пока систематическая погрешность не уменьшится до нуля.

На фиг. 1 изображен предлагаемый газоанализатор; на фиг. 2 — функциональная схема блока деления напряжзния, на фиг. 3 — то же, блока управления током нагрева.

).0 >6п2

Газоанализатор содержит первый полупроводниковый датчик 1, нагреватель ная обмотка которого соединена через ключ 2 с источником 3 тока, блок 4 управления током нагрева, выход которого соединен с управляющим входом ключа 2, второй полупроводниковый датчик 5, нагревательная обмотка которого подключена к источнику 3 тока, интегрирукхдий усилитель

6 и первый усилитель 7, входы кото- 10 рых подключены к выходам первого 1 и второго 5 датчиков соответственно, а выходы — к входам блока 8 деления, выход которого соединен с регистратором 9, последовательно 15 соединенные электрохимический датчик 10, второй усилитель 11, сумматор 12, фильтр 13 низких частот, третий усилитель 14, причем к инвер» тирующему входу сумматора 12 подключен выход второго усилителя 11, к неинвертирующему входу сумматора подключен выход блока 8 деления, а выход третьего усилителя 14 соединен с входом блока 4 управления током нагрева. В газоанализаторе использованы полупроводниковые кондук тометрические датчики.

Основными элементами газоанализатора являются блок 8 деления и блок 4 управления током нагрева. В 30 качестве блока деления использован аналогичный блок деления напряжений, который состоит из первого интегратора 15, второго интегратора 16, компаратора 17, выполненных на основе операционных усилителей, формирователя 18, выполненного на основе жду" щего мульти вибратор а, ключей 19 и

20, измерителя 21 амплитуды импуль- сов, включающего компаратор 22 и ключ 23 с емкостной нагрузкой 24.

Блок управления током нагрева представляет собой широтно-импульсный модулятор (ШИМ), на вход которого поступает напряжение с выхода 45 третьего усилителя, а с выхода его снимается последовательность импульсов заданной скважности. Функциональная схема блока управления током нагрева состоит из усилителя

25 разностного сигнала, подключенного к генератору 26 напряжения треугольной формы, содержащего последовательно соединенные мультивибратор 27 и интегратор 28, на выходе блока 4 установлен компара- 55 тор 29.

Все три датчика газоаналиэатора находятся в анализируемой среде.Первый полупроводниковый датчик разогревается периодически до двух фикси-60 рованных температур, наименьшая выбирается из условия хемосорбции анализируемого компонента газовой смеси, максимальная температура разогрева об< .спечивает очищение поверх- 65 ности полупроводника ot хемосорбированных молекул газа. BropoA полупроводниковый датчик ра:согревается от источника тока до одной по<-тоянной температуры, ниже наименьшей температуры первого датчика, причем она выбирается из условия хемосорбции неизмеряемых компонентов газовой смеси. Время нагрева датчиков определяется длительностью импульсов, поступающих с блока управления то Ком нагрева на ключ. Медленно меняю щиеся напряжения, пропорциональные проводимости первого и второго полупроводниковых датчиков, IIQcJIe усиления поступают на соответствующие входы блока деления, а именно с выхода интегрирующего усилителя — на вход "Делимое", а с выхода первого усилителя — на вход "Делитель". На выходе блока имеем напряжение, пропорциональное концентрации анализируемого газа.

Работа блока деления напряжений основана на время-импульсном преобразовании постоянных входных напряжений "Делимое" и "Делитель" в амплитуду импульсов, пропорциональных отношению входных напряжений, с последующим преобразованием амплитуды импульсов в постоянное напряжение.

Напряжение U„ и U2 с выходов первого и второго полупроводниковых датчиков поступает соответственно на входы "Делимое" и "Делитель " первого 15 и второго 16 интеграторов, выполненных на основе интеграль ных микросхем. Линейно-нарастающее напряжение с выхода интегратора 16 поступает на вход компаратора 17, на этот же вход которого подается и постоянное напряжение Uo Ha выходе компаратора появляется последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых опреде оп ляется соотношением напряжения

02

Формирователь 18, выполненный на основе ждущего мультивибратора, позволяет получить необходимой длитель1 ости импульсы, поступающие на управяющие электроды электрон ных ключ ей

19 и 20, обеспечивающих полный разряд интегрирующих емкостей. Линейноизменяющееся напряжение, амплитуда которого пропорциональна напряжению поступает на вход измерителя

21 амплитуды импульсов, на выходе которого появляется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде импульСОв, поступающих с выхода интегратора 15. Сигнал на выходе блока деления напряжения (Х+".) можно представить состоящим из величины, пропорциональной источной концентрации анализируемого газа х, плюс систематическая составляющая,характеризующая ошибку измерения . Сигнал

10560?5 с выхода электрохимического датчика 11 газа (x+w) пропорционален той же концентрации анализируемого газа, но с другим характером ошибок измерения,обусловленным преимущественно случайной составляющейпогрешности.По- 5 сле вычислениянапряжений,поступающих на входы сумматора,.построенного на базе операционного усилителя, на его выходе получаем сигнал., равный сумме измерения (V+W). Учитывая, что случайная составляющая погрешности измерения третьего датчика более высокочастотная, чем систематическая составляющая погрешности полупроводниковых датчиков, 15 для выделения систематической .составлякщей погрешности использован низкочастотный фильтр 13 с частотой среза 1 кГц, в качестве которого может быть использован пассивный Р-С фильтр. Далее напряжение, пропорциональное систематической составляющей погрешности, поступает на вход третьего усилителя, выполненного на базе операционного усилителя. С выхода третьего усилителя 14 напряжение U> подается на вход усилителя разностного сигнала -25 в блоке 4 управления током нагрева, на другой вход которого поступает опорное на-. пряжение У „. Усиленный разностный сигнал с вйхода усилителя 25, поступая на вход компаратора 29, сдвигает относительно нуля симметричное напряжение треугольной формы с генератора 2б треугольных импульсов.

Генератор треугольных импульсов пот строен на основе генератора 27 прямоугольных импульсов,мулЬтивибратора и интегратора 28 на транзисторе. С выхода компаратора 29 последова- 40 тельность импульсов, скважность которых зависит от величины напряжения поступает на управляющий электрод электронного клича 2„ выполненного на основе транзистора, опреде ляя время его коммутации. Ключ 2 периодически подключает источник 3 тока к нагревательной обмотке полупроводникового датчика 1, обеспечивая его разогрев. Появление напряжения на выходе фильтра 13,низких частот, пропорционального ошибке измерения, приводит к изменении скважности импульсов, управлякщих работой ключа 2, что выражается в изменении минимальной температуры разогрева датчика 1. Изменения минимальной температуры, соответствующей хемосорбции анализируемого газа, происходит до тех пор, пока ошибка измерения v не уменьшится до нуля, при этом на вход регистратора 9 поступает сигнал, пропорциональный концентрации анализируемого газа, у которого ошибка измерения сведена к минимуму.

Таким образом, газоанализатор, построенный на основе нескольких датчиков различных физических. принципов с соответствующей обработкой их сигналов, позволяет получить точность измерения выле, чем точность которую могут обеспечить газоанализаторы, построенные на основе каждого типа датчика в отдельности. В результате экспериментальных исследований предлагаемого гаэоанализатора и известных установлено, что погрешность измерения концентрации анализируемого газа предлагаемым устройством более чем на ЗОЪ меньше, чем у известных приборов..

Использование изобретения позволит за счет повышения точности ана-, лиза эффективнее регулировать движение внутреннего сгорания, улучшить качество продукции asòîìàòèçèрованных линий химических производств и т.п.

on

Составитель Ю. Коршунов

Редактор Н.,Лазаренко Техред С.Мигунова Корректор А. Ильин

Заказ 9290/34 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4