Термохимический анализатор

 

О П И С А Н И Е 2735ОУ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Свюз Советскмк

Социалистических

Рвсоуолми

Зависимое от авт. свидетельства М

Заявлено 14.Х.1968 (№ 1277546/26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 15 т 1.1970. Бюллетень ¹ 20

Дата опубликования описания 8.Х.1970

Кл. 42!, 4/16

Комитет оо делаМ иаобретений и открыти6 нрн Совете Министров

СССР

МПК G Oln 25!32, 31/10

УДК 543.544(088.8) Авторы изобретения

А. Н. Щербань, Н. И. Фурман и Н. С. Белоголовии

Институт технической теплофизики АН Украинской ССР

Заявитель

ТЕРМОХИМИ ЧЕСКИ Й АНАЛ ИЗАТОР

Изобретение относится к газоаналитпческнм устройствам автоматического контроля горючих газов в атмосфере.

Известен термохимический анализатор горючих газов — с активным и эталонным тсрмопреобразовательными элементами, включенными в обособленные электрические мосгы, которые соединяются между собой вторично через выходной показывающий приоор. В известном анализаторе повышение быстродействия мостов осуществляется их сигналом разбаланса при помощи магнитно-транзисторного усилителя по цепи обратной отрицательной связи.

Такой датчик не обеспечивает принципиально устойчивого режима работы устройства без согласования динамических характеристи < его инерционных звеньев.

Наличие в одноконтурной цепи регулирования магнитно-транзисторного усилителя и термокаталитического датчика, апроксимируемых соответственно динамическими звеньями второго и первого порядков, придает всей схеме свойства замкнутой системы регулирования третьего порядка. При этом условия устойчивой работы ее достигались при строго определенном соотношении постоянных времени инерционных звеньев, в частности постоянные времени термопреобразовательных элементов датчика должны быть заведомо меньше в предыдущих инерционных звеньях замкнутого контура. 3Т0 накладывало ограничения на технические характеристики и констр кцп|о термопреобразовательных 3;Ip.ëåíòîâ-катализаторов: можно было использовать в качестве;ix. лишь малоэкономичные с высоким порогом чувствительности тонкие платиновые нити вместо катализаторов на пористых носителях, свободных от указанных недостатков, но не при10 менимых для рассматриваемой системы «втостабилизации из-за недопустимо большой постоянной времени. Причем даже при выполнении этого требования (установка платиновь|х спиралей) инерционность процесса термопрс15 образования не устранялась полностью.

Цель предлагаемого изобретения — пр гвсдсние всего устройства безынерционного тгрмопреобразования горючих газов к одноконтурной системе автоматического регулирования

20 (САР) первого порядка за счет исключения инерционных звеньев из цепи усиления.

На фиг. 1 дана функционально-блочная схема безынерционного термокаталитического анализатора горючих газов; на фиг. 2 изобра25 жена диаграмма напряжений; на фиг. 3 представлен пример инженерного исполнения блоксхемы, по которой выполнен и всесторонне исследован лабораторный макет устройства.

Анализатор состоит из двух симметричных

30 мостовых схеме А, К, соответственно относя273507

3 щихся к активному RA и компенсационному

Як термопреобразОВательным элементам термокаталитического датчика Д.

Оконечный каскад одного из усилителей У-A одновременно выполняет функции блокинггенератора БГ, выходной импульс которого по цепям С, и С синхронно воздействует на базы оконечных каскадов обоих усилителей. Б момент поступления импульса от блокинг-генератора оконечный каскад, до этого находившийся в запертом состоянии, отпирается, и напряжение источника оказывается полно тью приложенным к диагоналям питания мостов.

Таким Ооразом, ка>кдыЙ из мостОВ питается коллекторным током оконечного каскада усилителя переменного напряжения (У-л, У к), на входы которых через трансформаторы (TpI, Т ) подаются напряжения их разбаланса.

В зависимости от знака разоаланса, обусловленного отклонением температурного режима тер мопр еобразовательных элемен гов (RA Як ) от заданного (их перегрев или недогрев), трансформаторная обратная связь меняет свой знак (соответственно становится отрицательной или положительной).

В случае перегрева спирали питание мосту подается лишь на время Весьма непродолжительного импульса от блокинг-генератора (10 — 10 . сек), т. е. по существу мост ооесточен (перегретый термоэлемент находится в состоянии естественного охлаждения). В противоположном случае — недогрев спирали, питание мосту после подачи на усилитель отпирающего импульса не исчезает вместе с последним, а остается до достижения термоэлементами RA,Rz заданной температуры, т. е. до полного исчезновения положительной ооратной связи, поддерживающей открытое состояние оконечного каскада усилителя.

Описанный процесс периодически повторяется, так как блокинг-генератор находится в состоянии автоколебаний, непрерывно зондируя температурное состояние термопреобразовательпых элементов и синхронизируя работу обоих усилителей.

Таким образом, питание мосту подается в

Виде однополярных прямоугольных импульсов, длительность которых предопределяется величиной недогрева термопреобразовательпых элементов до заданной температуры.

Поскольку временной промежуток следования импульсов блокинг-генератора на несколько .порядков меньше температурной постоянной термоэлементов, а запирание оконечного каскада усилителей по достижении баланса мостов происходит безынерционно, очевидно, что перегрев спиралей не может иметь места, а недогрев, по существу, является условным, так как выражается в абсолютном значении десятыми долями градуса.

На диаграмме напряжения (без метана в анализируемом воздухе) дано время 0 — т.

Здесь У — напряжение зондирующих импульсов блокпнг-генератора; С1л, Ьк — напряжения питания активного и компенсационного мостов; д — напряжение разбаланса В диагонали BKтивного моста Л (в рассматриваемом промежутке времени характер напряжения дебаланса компенсационного моста аналогичен), U» — напряжение выходного сигнала устройства, равное разности напряжений UH u UA u отсчитываемое индикаторным прибором И.

При отсутствии метана (см. фиг. 2, Π— т) равно нулю, так как амплитуда и длительность импульссв L A и Ьк при этом совпадаютт.

При появлении в Окружающей среде метача (СН1) в момент (т)Т1) температура активного термопреобразовательного элемента будет стремиться превысить заданный уровень (B результате термокаталитического эффекта метана на нем). Однако вследствие действия положительной обратной связи, стремящейся сохранить заданный уровень температуры, поддержание его будет обеспечиваться вследствие сужения, пропорционального концентрацпи метана, питающих активный мост A импульсов напря1кения постоянной амплитуды. При этом длительность импульсов иапряхкения питания компенсационного моста не зависит от метача в связи с каталитичсской пассивностью его компенсационного элемента.

Б соответствии с изложенным, выходное напряжение U,„,. = (U< — UA) после т)т1 представляет собой последовательные однополярные импульсы постоянной амплитуды, имеющие длительность, пропорциональную концентрации метана. Изложенное иллюстрируется на участке т)т1 (см. фиг. 2).

Постоянная составляющая выходного напряжения (см. фиг. 2, U,„,) отсчить|вает я выходным прибором И, а переменная составляющая используется в качестве широтно-импульсного кода канала телеизмерения КС содержания метана.

Б соответствии с принципом работы устройства, постоянная составляющая напряже11ия

U не зависит от величины (амплитуды) имвых пульса питающего напряжения, так как при прочих равных условиях с изменением ее изменяется глубина цепи обратной связи обратно пропорционально длительности импульса, чем сохраняется неизменность содержащейся в нем мощности.

Однако указанная взаимокомпенсация, обеспечивающая стабильность градуировочной характеристики прибора И, дестабилизирует работу широтно-импульсного телеметрического канала КС: непременным условием стабильности работы последнего является постоянство амплитуды напряжения питающих импульсов (Ук, UA). С этой целью напряжение питания устройства стабилизировано и снимается со стабилитрона Д1.

273507

65

Питание может быть осуществлено лиоо от местного автономного источника Б со стаоилизирующей цепочки RO — PI — CI;, либо от дистанционного источника стабилизированного тока (с приемного пункта телеметрическогп канала КС путем уплотнения его). Емкость

Св указ,ííîé цепочки выполняет роль звена согласования между импульсным характером низкоомной нагрузки (мосты А, К) и высокоомным и нестаоильным сопротивлением дистанционного источника питания: стабилизированный ток по каналу связи КС от высоковольтного источника через емкость Св в промежутке поступления импульсов питания низкоомной нагрузки восстанавливает свой потенциал до порогового напряжения стабилитропя

Д и в момент отпирания оконечного каскада усилителей обеспечивает кратковременный импульс мощности по цепи питания мостов IGраздо большим чем в канале связи током при низком эффективном напряжении. Таким о ргзом, емкость С> по своим функциям может быть названа трансформатором постоянного тока.

Емкость Св в указанной роли также необходима и при использовании местного (автономного) источника напряжения, так как при отсутствии ее стабилизирующая цепочка Ro — 3) не могла бы выполнять свои функции в режиме импульсной отдачи мощности низкоомной нагрузки (мосты А, К).

Усилители (см. фиг. 3, У л, У к ) состоят из трех резистивных каскадов предварительного усиления (Tl, Т2, Т,,) оконечного каскада

Т, одновременно выполняющего для верхней половины схемы (Ул ) функции блокинг-генератора. Учитывая, что в режиме переключения оконечный каскад Т1 практически не потреоляет мощности, а предыдущие усилительные каскады Т,, Т, Т;, и еют ничтожно малые токи коллектора, общий к.п.д. устройства значительно превьппает величину тактового прн непрерывном питании измерительных мостов.

Рассмотренный механизм работы схемы сохраняется и при отсутствии блокинг-генератора. Для этого, оконечный каскад в исходном состоянии не должен быть заперт полностью (соответственный режим выбирается цепью

cìåùåHHÿ). При этом малейший ток разоаланса мостов обусловит лавиноооразное нарастание сигнала в цепи обратной связи до полного открывания оконечного каскада (при недогреве термопреобразовгтельных элементов) или запирания его (при балансе моста, так как перегрев элемента практически не допускается устройством) и, таким образом, процесс компенсации (током питания) деоаланса мостов остается идентичным описанному выше. В рассматриваемом случае синхронный режим работы двух половин схемы может быть обеспечен путем включения между базами оконечных каскадов усилителей небольцгой емкости, однако использование блокинг-генератора обеспечивает значительно более строгую

45 синхронизацию, что позволяет обеспечить работу телеметрического канала с соответственно большей точностью.

Достоинства изобретения следующие: полная безынерционность процесса термокаталитического преобразования анализируемого газа; безлрейфовость, обеспечиваемая применением усилителя переменного тока в компенсационном режиме (действие обратной связи до полного устранения разбаланса мостов); отсутствие неоохолимости применения специа lbHblx устройств для кодирования ин<Ьормационного сигнала лля осмществления телеметрического канала в связи с опганической присущностью генерировать аналоговый сигнал и сигнал широтно-импульсного типа. непосредственно испо,тьзмемого для дистанционной перелачи инсЬормяции; высокий коэфЫиц спт полезного чействия и, как следствие, экономичность и искробезопасность мощности потпебления: емкостное согласование высоковольтного источника питания с низкоомной нагрмзкой. позволившее применить источник постоянного тока и, таким ооразом, отказаться от гпомозлких устройств трансформирования, выппямления и согласования переменного напряжения питания.

Преимуществом предлагаемого анализатора является его приголность для раздельного (селективного) анализа содержащих компонент сложной смеси гооючпх газов в последовательности роста рабочих температ .р их на повепхности термопреобразовательного элемента R z.

Действительная возможность этого очевидна, благолаоя спосооности компенсационного моста К обеспечит «жесткую» привязк н левой точки милливольтметпа ро всем темперят .рном диапазоне ряосты термопреобвазовятельного элемента, рабоч ю температур которогп лля ланной измеояемой горячей компоненты (даже через самые незначительные интервалы) можно задать с большой точностью и вылерживать с неизменным постоянством.

Предмет изобретения

1. Термохимический анализатор горючих газов с активным и компенсационным термоэлементами. включенными в обособленные измерительные мосты. и мсилителями, о .гичаю иийся тем, что, с целью приведения замкнутой системы автокомпенсации разбаланся моста к одноконтурной системе явтоматпческ тип регулирования, измерительные мосты включены непосредственно в коллекторн ю цепь оконечного каскала усилителя переменного тока, на вход которого через трансформатор полян сигнал разбаланса моста.

2. Лнализатор по п. 1, отлачпющийся тем, что. с целью получения на выходе устройства шиоотно-импульсного телеметрического сигна273507

<ах

9ие 2 ла, базы оконечных каскадов усилителей активного и эталонного мостов соединены посредством синхронизирующей ем кости либо посредством выходной цепи общего блокин"генератора, схемно совмещенного с оконечным каскадом одного из усилителей.

273507

Фиг 3

Редактор Т. А. Рыбалова Техред А. А. Камышиикова Корректор Н, А. Митрохина

Заказ 2787 i9 TJIp

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытии при Совете Министров СССР

Москва, К-35, Раугиская паб., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2