Устройство для измерения концентрации озона в воздухе кислороде

ОП ИСАНИЕ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублин п 938119 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(5 )М. Кл. 601 й 27/22 1 ввударетиеьм квмвтет СССР во авмвм изовретвккк н вткритнй(088.8). Дата опубликования описания 26,06,82( 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕ РЕ НИЯ КОНЦЕ НТРАЦ ИИ ОЗОНА В ВОЗДУХЕ - КИСЛОРОДЕ1Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для определения концентрации озона в озоно-воздушных и озоно-кнслородных газовых смесях в условиях их промьпп 5 ленного производства и использования.Известно устройство для определения содержания озона в воздухе н кислороде, работающее по принпипу измерения теплопроводности, и содержащее регулятор расхода газа, два нагревателя, рабочий и эталонный чувствительные элементы (терморезисторы с большим температурным коэффициентом), включенные в мостовую схему, и показывающий прибор.Наличие: двух чувствительных элементов позволяет получить при нулевой концентрации озона нулевые показания прибора и производить балансировку. Это достигается следующим образом, После Фо регулятора расхода газовая смесь разделяется на два потока. Один проходит нагреватель и рабочий чувствительный элемент, другой - нагреватель и ата 2лонный 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 атот алемент пропускается гаэ, содержащий озон. Это вызывает изменение сопротивления рабочего чувствительного алемента, балансировка моста нарушается и сигнал разбаланса, пропорциональный содержанию озона, фиксируется показывающим прибором 1.Недостатком данного устройства является применение ручной балансировки нуля, периодичность и качество которой влияют на точность измерения, Для обеспечения стабильности показаний в авапазоне рабочих условий требуется идентичность рабочего и эталонного чувствительных элементов, чего на практике достичь невозможно. Кроме того, применяемый в93811 Работа газоанализатора заключаетсяв попеременном чередовании циклов установки нуля и измерения, в соответствиис командами блока управления, При этомчерез емкостный датчик-ячейку пропускается либо исследуемая озоно-воздушная(кислородная) смесь, либо опорная, т. е,30не содержащая озона. Приготовление опорной смеси производится путем пропускания исследуемой газовой смеси черезячейку разложения озона,Во время установки нуля через емкостный датчик-ячейку пропускается опорная35газовая смесь. Одновременно по командеблока управления включается реверсивныйэлектродвигатель и через замедляющий,редуктор начинает вращать ротор компенсирующего конденсатора переменной ем- ф 0кости, включенного в частото-эадающуюцепь ВЧ-генератораЧастота генератора при этом изменяется до тех пор, пока не примет некоторое определенное значение, при котором 45сигнал с частотного детектора сраня-:ется с сигналом источника опорного напряжения.В этот момент исчезает сигнал с выхода схемы сравнения, и реверсионный 50двж атель перестает вращать ротор компенсирующего конденсатора. В дальнейшемлюбые изменения частоты генератора, вызываемые дрейфом или изменением состава неконтролируемых компонентов иссле 55дуемой газовой смеси, компенсируютсясистемой слежения (усилитель постоянного тока, реверсивный двигатель, ре 3качестве чувствительных элементов материал имеет низкую коррозионную стойкость к активным веществам, летучим перекисям и растворителям, что снижает надежность устройства, а применение фильтров для очистки газовых смесей от . корродирующих; примесей усложняет его эксплуатацию.Наиболее близким к изобретению явЛяется гвзоанвлизатор диэдькометричес О кий ОЗОН-З, содержащий емкостный датчик-ячейку, включенную в задающий ЬС- контур ВЧ-генератора, две ячейки разложения озона, два одновходовых клапана, усилитель-ограничитель, кварцевый частотный детектор, схему сравнения, источник опорного напряжения, усилитель постоянного тока, реверсивный электродвигатель, замедляющий механический редуктор и компенсирующий конденсатор переменной емкости, блок управления и самопишущий потенциометр. 9 фдуктор, компенсирующий конденсатор).Во время цикла измерения реверсивныйэлектродвигатель отключается, а череземкостный датчик-ячейку начинает проходить исследуемая озоно-воздушная(кислородная) газовая смесь. ЧастотаВЧ-генератора изменяется, и это изменение, пропорциональное концентрацииозона, фиксируется самопишущим потенциометром,Применение взамен ручной корректировки системы автоматической установкинуля значительно усложнило прибор. Поскольку фиксируемые в процессе работыприбора изменения частоты малы, установка начальной частоты ВЧ-генераторасистемой слежения должна производитьсяс точностью до 10, в то время каксобственнаячастота ВЧ-генератора равна 3,5 10 Гц, Это достигается приме 6нением сложной беэлюфтовой электромеханической системы слежения, включающей в себя реверсивный электродвигатель,механический замедляющий редуктор икомпенсирующий конденсатор переменнойемкости. Причем в качестве компенсирующего конденсатора применено специально разработанное устройство для плавнойнастройки на заданную частоту, содержащее конденсаторы грубой и плавной настройки и систему компенсации нелинейности диапазона перестройки ( 2Недостатками устройства является то,что изготовление элементов слежениятребует высокочастотного оборудования,а эксплуатация - тщательного ухода, Работа системы в непрерывном режиме неизбежно приводит к появлению механических люфтов, что снижает точность устройства и его надежность. Применение кварцевого частотного детектора вызываетявление "затягиваниями им частоты ВЧ-генератора, что усложняет процесс элек 1 рической наладки,Цель изобретения - унрошение устройства для измерения концентрации озона ввоздухе - кислороде при одновременномповышении 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 ЬС-контур ВЧ-генератора, две,ячейки разложения озона, дваодновходовых клапана й блок управления,дополнительно введены двухвходовая ичетырехвходовая схемы И, инвертор,асинхронный М-триггер и последова5 938 тельно включенные двоично-десятичный реверсивный счетчик, регистр памяти и цифроаналоговый преобразователь, а блок управления выполнен в виде трех схем И, включенных последовательно с кварцевым 5 генератором прямоугольных импульсов, четырех Т-триггеров, причем входы прямого и обратного счета реверсивного счетчика связаны соответственно с вы ходами двухвходовой и четырехвходовой 1 п схем И, первые входы которых связаны с выходом ВЧ генератора, а второй вход двухвходовой схемы И и вход Сброс.асинхронного Ж-триггера связаны с выходом первой схемы И блока управления, первый вход которой и управляющий входпервого клапана связаны с выходом 9 четвертого Т триггера блока управления, с выходом ф которого связаны второй вход четырехвходовой схемы И и управлнющий вход второго клапана, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первой схемы И блока управления связаны с выходом Ц третьего Т-триггера, а четвертый вход чегырехвходовой схемы И связан с выходом 0 асинхронного КВ -триггера, вход 6 которого через инвертор связан с выходомЗаем реверсивного счетчика, вход Сброс" когорегочерез вгорую схему И блока управления связан с выходами Ц второго и четвертого Т-триггеров и выходамп ф первого и третьего Т-триггеров и вход Запись регистра памяти через третью схему И блока управления связан с выходом Ц четвертого Т-триггера и выходамиостальных Т-триггеров.Применение двоично-десятичного реверсивного счетчика в сочетании с двух и четырехвходовой схемами И позволяет46 выделить пропорциональную концентрации озона разность частот ВЧ-генератора при последовательном пропускании через емкосгный 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 послед ф вательно с кварцевым генератором нря моугольных импульсов, обеспечивае г при минимальном числе элементов и функциональных связей выполнение заданного алгоритма работы: попеременную подачу фф в датчик-ячейку воздуха (кислорода) и оэонэ.воэдупной (кислородной) смеси;управление работой реверсввного счетчи ка, причем разрешение на счет выдаетсяспустя время, необходимое для полнойпродувки датчика-ячейки, а время счетаявляется оптимальным для получениянеобходимой точности; выдачу измерительной информации путем записи содержимого реверсивного счетчика в регистр памяти. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- временная диаграмма работы устройства.Устройство для измерения концентра ции озона в воздухе - кислороде содержит емкостный датчик-ячейку 1, высоко частотный ЬС-генератор 2, одновходовый клапан для ввода в датчик 3 воздуха- кислорода, одновходовый клапан для ввода в датчик 4 оэоно-воздушной смеси, ячейки 5 и 6 разложения озона, двухвхо довую схему И 7, четырехвходовую схему И 8, двоично-десятичный реверсивный счетчик 9, регистр 10 памяти, .цифроаналоговый преобразователь 11, инвертор 12, асинхронный Щ -триггер 13, блок 14 управления, состоящий из кварцевого генератора 15 прямоугольных импульсов, последовательно включенных Т-триггеров 16 - 19, двухвходовой схемы и 20 и четырехвходовых схем И 21 и 22. Причем емкостный датчик-ячейка 1 включена в задающий 1 С -контур ВЧ- генератора 2, выход которого связан с входом 1 прямого счета реверсивного счетчика 9 черм двухвходовую схему И 7, а с входом В обратного счета ре версивного счетчика 9 через четырехвхо довую схему И 8. Второй вход двухвходовоя схемы, И 7 и вход К асинхронного К -триггера 13 связаны с выходом схемы И 20 блока 14 управления, вход 1 которой и управляющий вход одновходового клапана 3,связаны с выходом 9 Т-триггера 19 блока 14 управления, с выходом Я которого связаны вход й четырехвходовой схемы И 8 и управляющий вход .одновходовогК клапана 4. Вход Ш четырехвходовой схемы И 8 в вход Й схемы И 20 блока 14 управления связаны с выходом 9 Т-триггера 18, а вход Щ четырехвходовой схемы И 8 связан с выходом Ю асинхронного К 5-трвг гера 13, вход В которого через внвертор 12 связан с выходомЗаемре- версиввого счетчика 9, вход Сброс Э которса о через свему И 21 блока 14 управленвя связан с выходом Ц Т-триггеров 17 в 19 и выходамв 4 Т-триггеров 16 й 18 блока 14 управления. Вход9381регистра памяти 10 связан с ииформационными выходами Ф реверсивного счетчика 9, а вход "Запись" 11 регистра 10памяти через схему И 22 блока 14 управления связан с выходом Ц Т-триггера 519 и выходами Ц остальных Т-триггеров блока 14 управления.Блок 14 управления вырабатываетпоследовательность команд, управляющихработой клапанов 3 и 4 реверсивногосчетчика 9 и регистра 10 памяти. Формирование команд производится следующим образом,Тактовые импульсы кварцевого генератора 15 поступают на последовательносоединенные Т-триггеры 16 - 19, каждыйиз которых делит частоту поступающихна него импульсов на два. Сформированные на выходах Я и Я Т-триггера 19команды необходимой длительности управ-опяют работой клапанов 3 и 4, обеспечивая попеременное их открывание. Приоткрытом клапане 3 газовая смесь с входа через ячейку 5 разложения поступаетв емкостный датчик-ячейку 1. Ячейка 5разложения озона обеспечивает получениеопорного, т, е. не содержащего озона,газа путем каталитического разложенияозона до кислорода. При открытом клапане 4 газовая смесь, не меняя состава, З 0поступает в датчик-ячейку 1. Таким образом обеспечивается попеременное прохождение через датчик-ячей. ку 1 исследуемого и опорного газов. Дляисключения выбросов озона в атмосферугаэ с выхода датчика-ячейки 1 проходитячейку 6 разложения озона. Изменениесостава газа, проходящего через датчикячейку 1, вызывает изменение частотыВЧ-генератора 2, пропорциональное концентрации озона. Выделение изменения, частоты производится путем последова-тельного заполнения реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧ-генератора 2,причем при прохождении опорного газазаполнение производится по прямому счету, а при прохождении исследуемого газа - по обратному. Формирование команды на заполнение реверсивного счетчика.509 по прямому счету осуществляется схемой И 20, обеспечивающей пропусканиеимпульсов ВЧ-генератора 2 через схемуИ 7 на вход 1 счетчика 9 только приоткрытом клапане 3,Заполнение реверсивного счетчика 9, 55в режиме обратного счета производитсятолько при открытом клапане 4, когдасовпадение логических единиц с выходов. 19 8Я Т-триггера 19 и ЯТ-триггера 18 обеспечит прохождение импульсов ВЧ- генератора 2 через схему И 8 на вход Я реверсивного счетчика 9.Счет импульсов реверсивным счетчиком 9 производится за вторую половину времени, в течение которого открыт план Э или 4. Первая половина времени используется для продувки датчика-ячейки 1Результатом последовательного запол-ненни реверсивного счетчика 9 импульсами ВЧ-генератора 2 в режимах сначала прямого, а затем обратного счета является кодН=5 ЛО фгде И - число импульсов на выходе Цреверсивного счетчика 9; Ф: - т, - время заполнения реверсивного1ь=г. ксчетчика 9 в режимах прямогоипи обратного счета;- время, в течение которого отКкрыт клапан 3 или 4;(кислородной) газовой смеси.В течение первой половины времени, когда производится продувка датчика- ячейки 1 опорным газом (клапан 3 открыт), совпадение логических единиц с выходов Ц Т-триггера 19, Ц Т-триггера 18, ф Т-триггера 17 и Я Т-триггера 16 на входе логической схемы И 22 формируется сигнал записи кода с выходареверсивного счетчика 9 в регистр 10 памяти. Далее этот код преобразуется цнфро-анапоговым преобразователем в аналоговый сигнал.Через время, равное периоду прохождения тактовых импульсов кварцевого генератора 15, после сигнала записи совпадение логических единиц с выходовЯ Т-триггера 19 и 17 и фТ-триггеров 16 и 18 на входах схемы И 21 формирует сигнал установки реверсивного счетчика 9 в исходное состояние, поступающий на его вход 6, 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 дрейфачастоты ВЧ-генератора 2 код на выхо9 93 де щ реверсивного счетчика 9 может принимать положительное или отрицательное значения. Причем последнее цифроаналоговым преобразователем васпринимается как большая концентрация озона.Исключение регистрации такою о ложного сигнала в предлагаемом устройстве производится следуююцим образом. Ппи появлении йа выходе 5 реверсивного счет чика 9 в режиме обратного. счета кода, равного нулю, на выходе М формируется короткий отрицательный импульс, который через инвертор 12 поступает на входВ 5 -триггера 13. Й 5-триггер 13 опрокидывается, и исчезновение логической единишь на его выходе ф запрещает прохождение импульсов ВЧ-генератора 2 через схему И 8 на реверсивный счетчик 9, исключая тем самым регистрацию. счетчиком 9 кода, соответствующего "фотрицательному значению дрейфа частоты ВЧ-генератора 2.Практической реализацией устройства является разработанный макет гаэоанализатора озона, в качесюве элементной базы которого применены интегральные микросхемы серии К 155, имеющие широкие функшюональные воэможности, но недостаточное быстродействие.Поэтому частота ВЧ-генератора выбрана равной 5 МГц. Время продувки датчика-ячейки и время заполнения реверсивного счетчика импульсами ВЧ-генератора выбрано равным 7 с. Диапазон юмеренуя концентрации озона от О до 25 гlм . Получаемая прн атом погрешность иэ-ва 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 озоне в воздухе - кислороде, содерхащее емкостный датчик-ячейку, вюпоченную в задающий Ь С-контур ВЧ-генератора, две ячейки разложения озона,8119 10,.два одновходовых клапана и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью упрощения устройства приодновременном повышении его точности5 инадежности, в него введены двухвхоЭдовая и четырехв)содовая схемы И, инвертор, асинхронный МЬ-триггер ипоследовательно включенные двоичнодесятичный реверсивный счетчик, регистрюф памяти и цифро-аналоговый преобразователь, а блок управления выполнен в виде трех схем И, включенных последовательно с кварцевым генератором прямоугольных импульсов четырех Т-трвггеров,И причем выход ВЧ-генератора связан свходами прямого и обратного счета реверсивного счетчика соответственно через двухвходовую и четырехвходовую схемы И, а второй вход двухвходовой схемылф И и вход Сброс" асинхронного Щ -триг-.гера связан с выходом первой схемы Иблока управления, первый вход которойи управляющий вход первого клапана3связаны с выходом Я четвертого Т трига гера блока управления, с выходом 5которого связаны второй вход четырехвходовой схемы И и управляющий входвторого клапана, третий вход четырехвходовой схемы И и второй вход первойЭй схемы И блока управления связаны с выходом О третьего Т-фгрщтера, а четвертый вход четырехвходовой схемы И связан с выходом Я асинхронного Я,5 -триггера, входкоторого через инвертор3% связан с выходом фЗаем реверсивногосчетчика, вход Сброс" которого черезвторую схему И блока управления связанс выходами ф второго и четвертого Ттриггеров и выходамн Ц первого и третье 46 го триггеров, вход Запись" регистра памяти через третью схему И блока упраиленни связан с выходом 9 четвертогоТ-триггера и выходами 4 осталь 33 ых Ттрат еров.45 Источники информации,принятые во внимание при акспертиэе1.0 зопЕ МЕМг МодеС Н, фирма .ФеИЪОсЬ,. ФРГ. Инструкция по эксплуатации, 1984.юа 2. Гаэоанапвэатор дяэлькометрический ОЗОН 3, ТУ 78, 5 К 1, 551.018.ТУ,Номер Госреестра 6428-77 (прототип) .938119 й ФФВ МВРОцеВО 0генараюара В Визод Ф ериггера айгеВВ гнриггера г ВюоЯВ триггера Ю Юасеаещ нп ВгиаВЬВа- аефераеюра 8 ВмиВ ахами й а Фасеата на ВиЖеним Ю, Мус Редактор Р аз 4449/65 л ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная йеФ Ф е 1 вагараХланан ЯКланангг ФваеФевеуе а РМИВФзею и Тираж 88 НИИПИ Государс по делам изоб 3035, Москва, Подписи оекомитета СССРи открытийаушская набд. 4