Способ измерения концентрации компонентов газовых смесей и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 01 И 21 61 ИЗОБРЕТЕНИ ПИ А СВИДЕТЕЛЬСТ АВТОРСК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Калмыцкий государственный университет(56) Метрологическая экспертиза,аттестация и метрологическое обеспечение аппаратуры, закупленной по лицензионному соглашению для производства поверочных газовых смесей (НИР). Т.1, Госкомитет СССР по стандартизации, ПНО "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", Инв, Р 02820062597, Л., 1981, с.136.Перегул Е.А., Горелик Д.ОИнструментальные методы контроля загрязнения атмосферы, - Л,: Химия, 1981, с. 281.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИКОМПОНЕНТОВ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И УСТРОСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к техникеизмерений компонентов газовых смесей(ГС) с использованием газоанализатора (ГА). Цель изобретения - повышение производительности измерений.Мгновенные значения сигналов ГА отреперной и от анализируемой ГС фиксируют через равные интервалы временитолько в процессе нарастания этих сигналов. Предварительно регистрируютсигнал ГА от нулевого газа в установившемся процессе. Устройство позволяет с высокой производительностью иточностью автоматически производить измерение концентрации компонентовГС. Баллоны 5-7 с ГС соединены с общей газовой магистралью (ОГМ) через1354074 10 трехходовые электроуправляемые клапаны (ЭК) 1-3. ОГМ подключена черезтрехходовый ЭК 4, регулятор рахода8 - к входу ГА, Третьи каналы всехЭК, два электрических входа каждогоиз которых присоединены к блоку переключения клапанов, соединены с атмосферой. Это позволяет продувать ОГМи объемы от ЭК до ОГМ той ГС, которая затем подается на вход ГА. Этообеспечивает одинаковый характер нарастания сигналов ГА от раперной иот анализируемой ГС, что позволяетсудить о концентрации по измеренияммгновенных значений сигналов при ихнарастании. Генератор 10 импульсов,Изобретение относится к аналитической технике и может быть использо вано в автоматизированных системахизмерения концентрации газов, в частности в метрологии, для аттестации Бповерочных газовых смесей.Цель изобретения вповышение производительности, точности и уровняавтоматизации измерений.На чертеже представлена схемапредлагаемого устройства.Устройство содержит электроуправляемые клапаны 1-3, установленные налиниях подачи газов из баллонов соответственно с нулевым газом, реперной газовой смесью и анализируемымигазовыми смесями в общую газовую магистраль, электроуправляемый клапан4, установленный на выходе общей газовой магистрали, баллоны 5 с нулевым 20газом, 6 с реперной газовой смесьюи 7 с анализируемыми газовыми смесями, регулятор 8 расхода, газоанализатор 9, генератор 10 импульсов,аналого-цифровой преобразователь 11 (АЦП),блок 12 переключения клапанов, блок13 управления, запоминающее устройство 14 (ЗУ), блок 15 определенияустановившихся значений, блок 16 вычисления концентрации, блок 17 определения достоверности измерений иустройство 18 ввода-вывода,Электроуправляемые клапаны 1-3установлены на линиях подачи газов аналого-цифровой преобразователь 11 изапоминающее устройство 14 позволяютфиксировать мгновенные значения сигналов через равные интервалы времениБлок 15 определения установившихсязначений позволяет регистрировать сигнал от нулевого газа в установившемся процессе, Блок 16 вычисления концентрации, блок определения достоверности измерений 17 и устройство18 ввода-вывода позволяют определитьконцентрацию с заданной надежностьюи сообщить результаты оператору,Очередность работы блоков устройстваобеспечивает блок 13 управления.2 с.п. ф-лы, 1 ил,из баллонов 5-7 в общую газовую магистраль, клапан 4 установлен между выходом общей газовой магистрали и входом регулятора 8, выход которого соединен газовой линией с входом газоанализатора 9. Все клапаны выполнены трехходовыми, их третьи газовые каналы соединены с атмосферой, а пер. вые и вторые электрические входы под. ключены к выходам блока 12, вход которого присоединен к восьмому выходу блока 13, шестой и седьмой входы и выходы которого подключены соответственно к первому выходу и входу АЦП 11 и выходу и входу генератора 10, Первый, второй, третий и четвертый входы и выходы блока 13 присоединены к первым выходам и входам соответственно устройства 18, блока 17, блока 16 и блока 15, вторые входы и гыходы которых подключены соответственно к первым, вторым, третьим и четвертым выходам и входам ЗУ 14. Пятый вход и выход последнего присоединены к пятому выходу и входу блока 13, шестой вход подключен к второму выходу преобразователя 11, второй вход которого присоединен к электрическому выходу газоанализатора 9.Устройство работает следующим образом.При автоматической аттестации гаовых смесей аттестация д-й ( = 1,2, 3 .и) смеси состоит из ш циклов3540 35 В ЗУ 14 запоминаются следующие данные: М - время продувки общей газовой магистрали в единицах числа импульсов, Н, - число измерений в серии значений сигнала от нулевого газа, Г, - порог среднеквадратического отклонения (СКО) измерений на нулевом газе, М - число измерений мгновенных значений сигнала от реперной и от аттестуемой газовых смесей, Р и А - соответственно порог доверительной вероятности и порог доверительного интервала аттестации, С - концентрация анализируемого компонента в реперной газовой смеси, а так же хранятся стандартные значения критерия Стьюдента 6 для различных значений Р (в виде таблицы). Оператор может изменить данные путем подачи коаттестации. Каждый 1-й (3 = 1,2 ш) цикл аттестации включает последовательную подачу на вход газоанализатора 9 нулевого газа, реперной газо 5 вой смеси, нулевого газа и аттестуемой газовой смеси, причем перед подачей каждого газа на вход газоанализатора производится продувка этим газом общей газовой магистрали, а во время подачи - измерение и запоминание мгновенных значений сигнала на выходе газоанализатора. Сигнал от нулевого газа фиксируется до тех пор, пока не будет определено его установившееся значение, а измерение и запоминание мгновенных значений сигнала от реперной и от аттестуемой смесей производится до тех пор, пока не будет набрано заранее заданное число этих значений.После регистрации сигнала от аттестуемой газовой смеси в каждом цикле вычисляется концентрация компонента в этой смеси (по результатам 25 измерений мгновенных значений сигналов при их нарастании от реперной и от аттестуемой газовых смесей), а затем производится определение достоверности результатов, полученных в 1-м цикле при аттестации -й газовой смеси. Если результатам аттестации можно доверять, они сообщаются оператору, и устройство переходит к аттестации (д+1) -й газовой смеси, в противном случае производится (3+1)-й цикл аттестации -Й газовой смеси, Работа устройства продолжается, пока не окончится аттестация последней газовой смеси. 744дов (комбинаций сигналов) с второго выхода устройства 18 на первый вход Зу 14.Работу устройства начинает оператор путем подачи с первого выхода устройства 18 на первый вход блока 13 кода начального пуска. Получив этот код, блок 13 производит продувку общей газовой магистрали нулевым газом. Для этого с седьмого выхода блока 13 на вход генератора 10 подается сигнал запуска, а по восьмому выходу блока 13 подается код на входблока 12, При этом с выхода генератора О на седьмой вход блока 13 качинают поступать импульсы, а на выходах блока 12, предназначенного для согласования уровня сигналов блока 13 с напряжением питания клапанов, появляется такая комбинация напряжений, которая обеспечивает продувку общей газовой магистрали нулевым газом.Напряжение подается на первый вход клапана 1 и на вторые входы остальных клапанов, при этом нулевой газ проходит из баллона 5 через клапан 1 в общую газовую магистраль, а из нее параллельно через все остальные клапаны в атмосферу, Продувка осуществляется до тех пор, пока число импульсов, поступающих с выхода генератора1 О на седьмой вход блока 1, не достигнет И.После этого начинаются подача нулевого газа на вход газоанализатора 9 и фиксирование выходного сигнала газоанализатора, При поступлении И -гоимпульса с выхода генератора 10 наседьмой вход блока 13 последний передает на вход блока 12 код, в результате которого с его выходов на пер-. вые входы клапанов 1 и 4 поступает напряжение питания, а все остальные входы клапанов обесточиваются. При этом нулевой газ из баллона 5 через клапан 1, общую газовую магистраль, клапан 4 и регулятор 8 поступает на вход газоанализатора 9. Одновременнопо шестому выходу блока 13 вырабатывается импульс на первый вход АЦП 11, который запускает его. При этом выходной сигнал газоанализатора 9, поступающий на второй вход АЦП 11, преобразуется им в цифровой код, и по окончании преобразования с первого выхода АЦП 11 поступает импульс готовности на шестой вход блока 13,получив который, последний вырабатываеткод по пятому выходу на пятый входЗУ 14. Получив этот код, ЗУ 14 принимает цифровой код, поступающий наего шестой вход с второго выхода АЦП11, и запоминает его в первой ячейке,отведенной для хранения мгновенныхзначений сигнала от нулевого газа.При поступлении следующего импульсаот генератора 10 блок 13 снова запускает АЦП 11 и, получив импульс готовности, передает код по пятому входуЗУ 14 на запоминание второго мгновенного значения выходного сигнала газоанализатора 9 во второй ячейке памяти 15ЗУ 14 и так далее до тех пор, пока незафиксируется И, измерений на нулевом газе,Затем производится определениеустановившегося значения сигнала от 20нулевого газа, После подачи кода попятому входу ЗУ 14 на запоминаниеИ,-го измерения посылается сигнал счетвертого выхода блока 13 на первыйвход блока 15, в результате чего по.следний запускается и вычисляет среднее значение 0, измерений на нулевомгазе и СКО Р, этих измерений (данныепоступают с четвертого выхода ЗУ 14на второй вход блока 15). Закончив 30вычисления, блок 15 передает величину Б по второму выходу на четвертыйвход ЗУ 14, где она запоминается, азатем проверяет выполнение условияО 1 (( 1) 35 Если это условие выполняется, установившееся значение сигнала от нулевого газа определено (оно равноЫ,), и система начинает производить про дувку общей газовой магистрали реперной газовой смесью, В противном случае блок 15 вырабатывает по первому выходу на четвертый вход блока 13 код, в результате которого по приходу им пульса от генератора 10 на седьмой вход блока,13 начинается фиксирование новой серии из И значений, а затем снова определяется среднее значение из новой серии измерений на нуле- б 0 вом газе, СКО и так далее до тех пор, пока условие (1) не выполнится.Продувка общей газовой магистрали реперной газовой смесью производится аналогично продувке нулевым газом, Отличие в том, что напряжение с выходов блока 12 подается на первый вход клапана 2 и на вторые входы всех осТальных клапанов. По истечении времени продувки Ио(в масштабе времени, задаваемом генератором 10) осуществляются подачареперной газовой смеси на вход газоанализатора 9 и фиксирование мгновенных значений выходного сигнала газоанализатора от реперной газовой смеси при нарастании этого сигнала. Нриэтом происходят такие же операциикак и при аналогичной работе с нулевым газом. Отличие только в том, чтонапряжение с выходов блока 12 подается на первые входы клапанов 2 и 4,а фиксирование выходного сигнала газоанализатора 9 производится до техпор, пока в ЗУ 14 не запомнится Хизмерений 13 (К = 1,2,3И ) мгновенных значений сигнала от репернойгазовой смеси в процессе нарастанияэтого сигнала от уровня По, до установившегося уровня,После этого осуществляются втораяв цикле продувка общей газовой магистрали нулевым газом, подача егона вход газоанализатора 9, регистрация серий из И, измерений выходногосигнала газоанализатора и определение установившегося значения этогосигнала до тех пор, пока это значение Б не запомнится в ЗУ 14(при выполнении услови . (1), Работапри этом не отличается от указанной.Затем производятся продувка общейгазовой магистрали аттестуемой. газовой смесью, подача ее на вход газоанализатора 9 и фиксирование И измерений Бд (К = 1,2,3В ) мгновенных1 азначений сигнала от аттестуемой газовой смеси в процессе нарастания этогосигнала от уровня Б до установившегося уровня. При этом последовательность работы такая же как и при фиксировании сигнала от реперной газовой смеси.Измерения Бри О записанные вЗУ 14, являются реализациями переходного процесса, протекающего в измерительном канале, передаточную функциюкоторого можно записать в виде где- коэффициент передачи измерительного канала;ТТТ - постоянные времени, с,КПроцесс нарастания сигнала на выходе газоанализатора 9 при нулевых135 7начальных условиях (что имеет место при подаче на вход реперной или аттестуемой газовой смеси после нулевого газа) можно описать функцией вида 4074ЦИ) =а(ТТ,ТИ) д С + Ц (3) где ц(1) - напряжение на выходе гаэоанализатора;С - концентрация анализируемого компонента газовой смеси;ц, - напряжение на выходе газоанализатора при С = .0;Е(ТТгТ (г) - функция времени,зависящая от постоянныхТ, ТгТ,например,при К=2 она имеет видТ ) Т(1Тг(1) (4)фф"г Таким образом, для измерений Цможно записать Црг=Е(ТТгТ, )Ср+ Цо , ( )(Т Т Т е )Ср+2 где С" - концентрация анализируемо 11го компонента в -й газовой смеси, оцениваемая в 3-м цикле аттестации.Перенося величины Цо, и Цо в левые части уравнений (5) и (6) и поделив (6) на (5), можно получить ц - ц = 2СА ог СцС,юг огР(7) где г . ,Г. - моменты времени1 ф гфф гфиксирования измерений, отсчитываемые от момента подачи газовой смеси на 1вход газоанализатора 9.для измерений ц справедливы соот- ношения Решением системы уравнений (7)методом наименьших квадратов относиС;,10 тельно неизвестного отношенияявляетсяСри- (цдк цог ) (црк цо(ц, - ц)15к:Х (цр- ц)к:20 После подачи кода по пятому входуЗУ 14 на запоминание последнего М -гоизмерения мгновенного значения сигнала от аттестуемой гаэовой смеси блок13 посылает сигнал с третьего выхода25 на первый вход блока 16. Этим сигналом последний запускается и производит вычисление оптимальной по методунаименьших квадратов оценки концентрации С" по формуле (9) и среднюю1130 квадратичную погрешность отдельногоизмерения б , При этом данные (Ц ,упают с гретьего выхода ЗУ 14 на второй входблока 16. Величины С; и б передаютсяЗ 5 с второго выхода блока 16 по третьему выходу ЗУ 14, в котором они запоминаются,По окончании работы блока 16 попервому его выходу на третий вход40 блока 13 посылается код, в результа"те чего последний включает в работублок 1.7, подавая сигнал с второго еговыхода на его первый вход. При работе блока 17 определяется критерий45 Стьюдента по данным, хранящимся в ЗУ"14; средней квадратичной погрешностиотдельного измерения, порогу дове.рительного интервала Ь, числу измерений И . Затем, исходя из заданногофФ50 порога доверительной вероятности Р,находится стандартное значение критерия Стьюдента (по таблице, хранящейся в ЗУ 14). При этом все данныепоступают с второго выхода ЗУ 14 на55 второй вход блока 17, Стандартное иопределенное (вычисленное) значениякритерия Стьюдента сравниваются повеличине, Если стандартное больше,результаты данного цикла аттестации1354074 лизатора. ВНИИПИ Заказ 5686/38 Тираж 776 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 аннулируются, при этом с первого выхода блока 17 на второй вход блока13 посылается код, согласно которомупоследний начинает следующий цикл5аттестации этой же газовой смеси(указанным образом)Если вычисленноезначение критерия Стьюдента большеили равно стандартному, с первоговыхода блока 17 на второй вход блока13 подается код, согласно которомупоследний включает устройство 18, посылая сигнал с первого выхода на егопервый вход. Устройство 18 принимаетпо второму входу код числа С" с пер11вого выхода ЗУ 14 и печатает в аттестат на газовую смесь величину С,выраженную в единицах концентрации,После этого с первого выхода устройства 19 передается код на первый вход 20блока 13, в результате чего последнийпроизводит первый цикл аттестации(х+1) -й газовой смеси или останавливает работу системы, если все и газовые смеси аттестованы. 25Таким образом, изобретение позволяет увеличить производительность измерений при повышении точности и уровня автоматизации,30Формула изобретения 1, Способ измерения концентрации компонентов газовых смесей включающий поочередную подачу на вход газо 35 анализатора нулевого газа, реперной газовой смеси, нулевого газа и анализируемой газовой смеси, регистрацию выходных сигналов газоанализатора и определение концентрации по величине 40 сигналов, причем регистрацию выход ного сигнала от нулевого газа осуществляют в установившемся процессе, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности измерений, регистрируют через равные интервалы времени мгновенные значения выходных сигналов от реперной и анализируемой смесей толька в процессе их нарастания.502, Устройство для измерения концентрации компонентов газовых смесей, содержащее баллон с нулевым газом, баллон с реперной газовой смесью, баллоны с анализируемыми газовыми смесями, электроуправляемые клапаны,установленные на линиях подачи газовиз баллонов в общую газовую магистраль, первые электрические входы которых подключены к выходам блока переключения клапанов, регулятор расхода, выход которого соединен газовойлинией с входом газоанализатора, .изапоминающее устройство, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения производительности, точности и уровня автоматизации измерений, в него введены электроуправляе;мый клапан, первый вход которого подключен к выходу блока переключенияклапанов, установленный между выходом общ й газовой магистрали и входом регулятора расхода, генераторимпульсов, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, блок определения установившихся значений, блоквычисления концентрации, блок определения достоверности измерений иустройство ввода-вывода, причем всеэлектроуправляемые клапаны выполнены трехходовыми, их третьи газовыеканалы соединены с атмосферой, а вторые электрические входы подключенык выходам блока переключения клапанов, вход которого прис.оединен квосьмому выходу блока управления,шестой и седьмой входы и выходы которого подключены соответственно к первому выходу и входу аналого-цифрового преобразователя и к выходу и входугенератора импульсов, а первый, второй, третий и четвертый входы и выходы присоединены к первым выходами входам соответственно устройстваввода-вывода, блока определения достоверности измерений, блока вычисления концентрации и блока определенияустановившихся значений, вторые входы и выходы которых подключены соответственно к первым и вторым, третьим и четвертым выходам и входамзапоминающего устройства, пятый входи выход которого присоеденены кпятому выходу и входу блока управления,шестой вход подключен к второму выходу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого присоединен к электрическому выходу газоана