Способ определения концентрации газа при помощи датчика с нелинейной характеристикой

 

Использование: определение концентрации газов в различных областях промышленности: нефтегазодобывающей, перерабатывающей, химической и т. д. Сущность изобретения: сопротивление датчика с нелинейной характеристикой преобразуют в электрический сигнал с последующим функциональным преобразованием, осуществляемым по принципу кусочно-линейной аппроксимации, и измерением. Функциональное преобразование сигнала датчика осуществляют в виде двухстадийного интегрирования с использованием интегратора с интегрирующим конденсатором. Аппроксимацию характеристики датчика проводят на второй стадии интегрирования путем подачи опорных напряжений на интегратор для последующего разряда интегрирующего конденсатора током, изменяющимся эквивалентно нелинейной характеристике датчика. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам определения концентрации газов и может быть использовано при разработке приборов для различных отраслей промышленности, где в качестве первичного преобразователя (далее по тексту датчик) применяют датчики с нелинейной характеристикой.

Для газового анализа в настоящее время выпускаются газоанализаторы, которые имеют нелинейные шкалы, что приводит к дополнительным погрешностям считывания информации. В целях получения пропорционального выходного сигнала для широкого класса газоаналитических приборов требуется построение универсального функционального преобразователя. В большинстве случаев в качестве функционального преобразователя применяется линеаризатор.

В качестве критерия, ограничивающего множество линеаризуемых функций, могут быть взяты требования ГОСТ 13320-81. В соответствии с этим ГОСТом можно ограничиваться монотонно меняющимися функциями, которые имеют не более одного перегиба и удовлетворяют неравенству: 0,3 где , соответственно значения чувствительности датчика в любой точке диапазона и среднее.

Ближайшим аналогом изобретения является способ определения концентрации газов при помощи датчика с нелинейной характеристикой, включающий преобразование сопротивления датчика в электрический сигнал, его функциональное преобразование, осуществляемое по принципу кусочно-линейной аппроксимации и дальнейшее его измерение (2).

В этом способе функциональное преобразование характеристики датчика осуществляется с помощью преобразователя-линеаризатора, построенного по принципу кусочно-линейной аппроксимации и предусматривающего линеаризацию характеристики датчика при помощи набора компараторов, изменяющих передаточную характеристику преобразователя-линеаризатора в зависимости от входного сигнала, поступающего с выхода датчика и рассчитанного на линеаризацию градуировочных характеристик датчиков, выполненных в соответствии с ГОСТ 13320-81.

Способ имеет ряд недостатков, а именно: линеаризация градуировочной характеристики датчика производится в аналоговой форме сигнала, что влечет за собой температурную нестабильность преобразователя-линеаризатора, приводящую к дополнительной погрешности измерения; громоздкость способа, большое число компараторов, увеличивают затраты на производство газоанализаторов и их стоимость. Целью изобретения является упрощение вышеуказанного способа, уменьшение погрешности измерения, возникающей от изменения температуры окружающей среды, снижение затрат на производство газоанализаторов и их стоимости.

Цель достигается тем, что в способе определения концентрации газов функциональное преобразование сигнала датчика осуществляют в виде двухстадийного интегрирования с использованием интегратора с интегрирующим конденсатором, при этом аппроксимацию характеристики датчика проводят на второй стадии интегрирования путем подачи опорных напряжений на интегратор для последующего разряда интегрирующего конденсатора током, изменяющимся эквивалентно нелинейной характеристики датчика.

На фиг. 1 изображен график, иллюстрирующий предлагаемый способ; на фиг. 2 схема предлагаемого датчика.

В предлагаемом способе интегрирующий конденсатор разряжается на второй стадии интегрирования источником изменяющегося тока, аппроксимирующим характеристику датчика.

Способ осуществляется следующим образом.

С выхода моста 1, в который включен датчик R(x), имеющий нелинейную характеристику, измеряемый сигнал поступает на операционный усилитель 2. С выхода операционного усилителя измеряемый сигнал приходит на коммутатор 3, который коммутирует измеряемый сигнал и сигнал, поступающий от источника изменяющегося тока, предназначенного для разряда интегрирующего конденсатора тока, изменяющимся эквивалентно характеристике датчика. Источник изменяющегося тока выполнен на переменных резисторах 8, с движков которых снимаются опорные напряжения и коммутируются коммутатором 9. С выхода коммутатора 3 сигналы поступают на интегратор 4, где проводится заряд интегрирующего конденсатора измеряемым сигналом на первой стадии интегрирования и кусочно-линейная аппроксимация характеристики датчика на второй стадии интегрирования. Выход интегратора 4 подключен к компаратору 5, формирующий положительный импульс по длительности прямо пропорциональный амплитуде сигнала, поступающего с выхода операционного усилителя 2. Положительный импульс на выходе компаратора 5 управляет схемой И 6, которая пропускает импульсы с выхода генератора 11 тактовых импульсов во время действия положительного импульса на выходе компаратора 5. Таким образом формируется пачка импульсов, в которой количество импульсов прямо пропорционально концентрации газа. Количество импульсов подсчитывает счетчик 7 и отображает информацию на цифровом табло. Перед каждой очередной пачкой импульсов счетчик 7 устанавливается в "0" импульсом, поступающим на вход R. Счетчик 10 формирует команды для последовательной работы коммутаторов и формирует импульс для обнуления счетчика 7.

П р и м е р. Способ осуществляли вышеуказанным образом при подаче на датчик поверочных газовых смесей (1 мас. метана в воздухе и 2,5 мас. метана в воздухе) при нормальной температуре, при температуре минус 20^оС и при температуре 40^оС.

Погрешность измерения способа, вызванная изменением температуры окружающей среды, составила ±20% Результаты измерений приведены в таблице.

Предлагаемый способ определения концентрации газов прост в аппаратурном исполнении и имеет меньшую дополнительную погрешность измерения, вызванную изменением температуры окружающей среды.

Формула изобретения

Способ определения концентрации газа при помощи датчика с нелинейной характеристикой, включающий преобразование сопротивления датчика в электрический сигнал, его функциональное преобразование, осуществляемое по принципу кусочно-линейной аппроксимации, и измерение, отличающийся тем, что функциональное преобразование сигнала датчика осуществляют в виде двустадийного интегрирования с использованием интегратора с интегрирующим конденсатором, при этом аппроксимацию характеристики датчика проводят на второй стадии интегрирования путем подачи опорных напряжений на интегратор для последующего разряда интегрирующего конденсатора током, изменяющимся эквивалентно нелинейной характеристики датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3