Контроль качества сгорания топлива в методических нагревательных печах (стр. 18 из 20)

Эталонный источник 7 электромагнитного излучения предназначен для учета влияния дестабилизирующих факторов, например, температура, пыль, влажность и т. д. , влияющих на параметры фотоприемников.

Разделительные усилители 11 и 12 выравнивают амплитуду импульсов на входе коммутатора 13 входных импульсов, а также обеспечивают развязку по постоянному напряжению выхода фотоприемников 5 и 6 и входа коммутатора 13.

Блок 10 обработки сигналов обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровой, и далее преобразование его и вычисление концентрации измеряемого газа.

Устройство 17 регистрации обеспечивает вывод величины концентрации на табло прибора.

Коммутатор 13 входных импульсов предназначен для поочередного подключения блока 10 обработки сигналов с выходами фотоприемников 5 и 6.

Усилитель 14 обеспечивает усиление полученного импульсного сигнала до уровня, обеспечивающего наилучшее использование параметров аналого-цифрового преобразователя 15.

Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 15 позволяет измерить напряжение с высокой точностью.

Управляющая ЭВМ 16 предназначена для управления коммутатором 13 входных импульсов, а также источниками 1 и 7 излучения через схему 18 управления, кроме того, ЭВМ 16 осуществляет преобразование поступающих сигналов в соотношение, предварительно заложенное в ПЗУ ЭВМ 16, вычисление его и определение величины концентрации газа.

Блок 17 регистрации обеспечивает вывод значения концентрации на индикаторе табло.

Схема 18 управления токами источников излучения обеспечивает получение на входе измерительного и эталонного источников 1 и 7 излучения импульс тока заданной длительности и величину тока, определяемого напряжением, снимаемым с опорного резистора 19 в промежутке времени между импульсами.

Сопротивление 20 нагрузки обеспечивает типовое включение измерительного фотоприемника 5.

Датчик 21 контроля температуры предназначен для коррекции рассчитанной концентрации газа, обусловленной температурной зависимостью параметров источников излучения (сдвиг спектра) и фотоприемников (чувствительность).

Газоанализатор работает следующим образом.

От микроЭВМ 16 на схему 18 управления токами источников излучения поступает управляющий сигнал, определяющий параметры импульсов тока, поступающих поочередно с выхода схемы 18 управления на вход измерительного источника 1 излучения и на вход эталонного источника 7 излучения. Данные импульсы тока преобразуются в импульсы излучения, содержащего длины волн

и из области поглощения и из области прозрачности анализируемого газа соответственно. Оба фотоприемника 5 и 6 освещаются либо измерительным источником 1 излучения (через кювету 2), либо эталонным источником 7 излучения (с обратной стороны) и преобразуют световые импульсы в измерительный и опорный электрические импульсные сигналы соответственно. Причем световой импульс от эталонного источника 7 излучения преобразуется в фотоприемниках 5 и 6 в электрические импульсы с напряжением U_1Э и U_2Э соответственно. Аналогично, световой импульс от измерительного источника 1 излучения преобразуется в фотоприемниках 5 и б электрические импульсы с напряжением U_3И и U_4И соответственно. Амплитуда импульсов пропорциональна интенсивности света, падающего на фотоприемник.

В зависимости от сигнала, поступающего от микроЭВМ 16 на управляющий вход коммутатора 13 входных импульсов, измерительные и опорные электрические импульсы с выхода фотоприемников через соответствующие разделительные усилители 11 и 12 поочередно поступают на вход коммутатора 13 входных импульсов и далее с выхода коммутатора 13 через усилитель 14 на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, в котором преобразуется в цифровой код. Таким образом, на вход микроЭВМ 16 поступает последовательность цифровых кодов, соответствующих значениям аналогового импульсного сигнала, поступающего с выхода фотоприемников 5 и б. В микроЭВМ 16 с помощью предварительно введенного в память соотношения осуществляется его преобразование, вычисление и определение концентрации газа N, значение величины которой выводится на устройство 17 регистрации. С целью исключения влияния неконтролируемых изменений параметров газоанализатора на измерение соотношение представлено в виде:

(38)

где U_1Э - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 11, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны

от эталонного источника 7 излучения, попадающего на измерительный фотоприемник 5.

U_2Э - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 12, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны

от эталонного источника 7 излучения, попадающего на опорный фотоприемник 6.

U_3И - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 11, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны

от измерительного источника 1 излучения, попадающего на измерительный фотоприемник 5.

U_4И - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 12, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны

от измерительного источника 1 излучения, попадающего на опорный фотоприемник 6.

Оптически и электрически прибор настраивается таким образом, что в отсутствии контролируемого газа амплитуды всех четырех импульсов равны, т. е. d= 1. В случае возможного изменения интенсивности одного или обоих источников электромагнитного излучения вследствие измерения, например, питания, температуры, запыленности, влажности, деградации со временем и т. д., оба сигнала (измерительный и опорный) от нестабильно работающего излучателя изменятся пропорционально, а их отношение, входящее в (38), сохранится. Аналогично, в случае изменения чувствительности одного из фотоприемников по причинам, указанным выше, пропорционально изменятся амплитуды импульсов, получаемых в результате преобразования в фотоприемнике световых импульсов от обоих источников излучения, и их отношение, входящее в (I) также сохранится. Для учета изменений интенсивности источников или чувствительности фотоприемников на опорном резисторе 19 через обратную связь, введенную через схему 18 управления, поддерживается постоянное падение напряжения и, таким образом, полезный импульсный сигнал также будет постоянной величиной.

При заполнении кюветы 2 контролируемым газом из величин, входящих в правую часть соотношения

(38), изменится (уменьшится) только U_3И из-за поглощения излучения газом. Соответственно, уменьшится и d

По нескольким проверочным газовым смесям с паспортизованными концентрациями N₁. . . N_i контролируемого газа строится градуировочная кривая соответствия величин d и N и вводится предварительно в память микроЭВМ 16. При измерении неизвестной концентрации газа микроЭВМ 16 вычисляет d и по нему с помощью градировочной кривой определяет концентрацию газа N.

Предлагаемый газоанализатор реализован в РНИЙ "Электронстандарт".

Все элементы конструкции прибора размещены в электропроводящем корпусе с сопротивлением неменее 10⁶ Ом и изготовленном из алюминиевого сплава или пластмассы.

В качестве газовой кюветы 2 использована алюминиевая трубка с полированной внутренней поверхностью длиной 70 мм и внутренним диаметром 6 мм с установленным на ней входным и выходным штуцерами 24 и 25, оптическими окнами 22 и 23 на входном и выходном торцах трубки (см. черт. 2).

Излучатели 1 и 7 и фотоприемники 5 и 6 с принадлежащими им оптическими фильтрами 3 и 8 и 4 и 9 изготавливаются комплектно фирмой ИКО, г. Санкт-Петербург. Например, для газоанализатора, измеряющего концентрацию углекислого газа изготовлен комплект ФРМ1-4339, включающий в себя два одинаковых светодиода, излучающих в диапазоне 3,7-4,4 мкм, и модуль, содержащий два фотоприемника и две пары оптических фильтров. Освещение каждого фотоприемника возможно с двух противоположных торцов модуля. В качестве фотоприемников использованы фоторезисторы. Одна пара оптических фильтров пропускает излучение с длиной волны

= 4,3 мкм, поглощаемое углекислым газом, вторая пара оптических фильтров пропускает излучение с длиной волны = 3,9 мкм, для которого углекислый газ прозрачен. Эталонный излучатель установлен вплотную к модулю фотоприемника для минимизации влияния анализируемого газа, содержащегося в атмосфере, на интенсивность эталонного излучения.

Таким образом, при включении прибора излучение, например, измерительного светодиода фокусируется на фоторезисторы 5 и б, регистрирующие, благодаря наличию оптических фильтров 3 и 4, интенсивность излучения с длиной волны, соответственно 4,3 мкм (рабочий канал) и 3,9 мкм (опорный канал). На измерительный и опорный фоторезисторы 5 и 6 подают стабилизированное напряжение +U . Последовательно включенное

с измерительным фоторезистором 5 сопротивление 20 нагрузки и последовательно включенный с опорным фоторезистором 6 опорный резистор 19 выполнены на резисторах марки С2-29. Напряжение с вышеуказанных сопротивлений 20 и 19 через соответствующие разделительные усилители 11 и 12, выполненные на малошумящих операционных усилителях типа К544УД5, попадают на первый и второй входы коммутатора 13, управляемого от микроЭВМ 16. Коммутатор 13 выполнен на основе КМОП коммутатора 561КТ2, с выхода которого импульсы напряжения попеременно либо от измерительного, либо опорного фоторезисторов попадают на вход усилителя 14, выполненного на основе малошумящего операционного усилителя К544УД5. Кроме того, с опорного резистора 19 опорного фоторезистора 6 постоянное напряжение подается на схему 18 управления токами свето-диодов, выполненную на основе операционного усилителя 140УД1208. При уменьшении температуры окружающей среды постоянное напряжение на опорном резисторе 19 и сопротивлении нагрузки 20 уменьшается из-за увеличения темнового сопротивления фоторезисторов. Это напряжение с опорного резистора 19 подается на инвертирующий вход схемы управления 18 токов светодиодов. Так как зависимость чувствительности фоторезисторов и их темновое сопротивление имеют близкую температурную зависимость, то формируется петля обратной связи, поддерживающей величину импульсов напряжений постоянной независимо от внешних условий.