RU2061231C1 - Method of measuring gas content by means of non-linear characteristic transducer - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: resistance of non-linear characteristic transducer is converted into electric signal followed by functional conversion, realized according to piecewise-linear approximation. After that resistance of the transducer is measured, functional conversion of signal of the transducer is carried out in form of two-step integration by application of integrator with integrating capacitor. Approximation characteristics of the transducer are conducted at the second step of integration by applying reference signals to integrator for subsequent discharge of integrating capacitor by current, which changes in equivalent to nonlinear characteristic of the transducer. EFFECT: improved precision of measurement. 2 dwg, 1 tbl

Description

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. The invention relates to methods for determining the concentration of gases and can be used in the development of devices for various industries, where sensors with a nonlinear characteristic are used as the primary transducer (hereinafter referred to as the sensor).

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. For gas analysis, gas analyzers are currently available that have non-linear scales, which leads to additional errors in reading information. In order to obtain a proportional output signal for a wide class of gas analytical instruments, the construction of a universal functional converter is required. In most cases, a linearizer is used as a functional converter.

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.As a criterion limiting the set of linearizable functions, the requirements of GOST 13320-81 can be taken. In accordance with this GOST, it is possible to limit oneself to monotonously changing functions that have no more than one inflection and satisfy the inequality:

0.3 where

,

accordingly, the sensitivity values of the sensor at any point in the range and average.

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). The closest analogue of the invention is a method for determining the concentration of gases using a sensor with a nonlinear characteristic, which includes converting the sensor resistance into an electrical signal, its functional transformation, carried out according to the principle of piecewise linear approximation and its further measurement (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. In this method, the functional conversion of the sensor characteristic is carried out using a linearizer, built on the principle of piecewise linear approximation and providing for linearization of the sensor characteristics using a set of comparators that change the transfer characteristic of the linearizer, depending on the input signal from the sensor output and calculated for linearization of the calibration characteristics of sensors made in accordance with GOST 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. The method has a number of disadvantages, namely: linearization of the calibration characteristics of the sensor is carried out in an analog signal form, which entails the temperature instability of the linearizer Converter, leading to additional measurement error; the bulkiness of the method, a large number of comparators, increase the cost of producing gas analyzers and their cost. The aim of the invention is to simplify the above method, reducing the measurement error arising from changes in ambient temperature, reducing the cost of production of gas analyzers and their cost.

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. The goal is achieved in that in the method for determining gas concentration, the functional conversion of the sensor signal is carried out in the form of two-stage integration using an integrator with an integrating capacitor, while approximating the characteristics of the sensor is carried out at the second stage of integration by supplying reference voltages to the integrator for the subsequent discharge of the integrating capacitor with a current that varies equivalent to the non-linear characteristic of the sensor.

На фиг. 1 изображен график, иллюстрирующий предлагаемый способ; на фиг. 2 схема предлагаемого датчика. In FIG. 1 is a graph illustrating the proposed method; in FIG. 2 diagram of the proposed sensor.

В предлагаемом способе интегрирующий конденсатор разряжается на второй стадии интегрирования источником изменяющегося тока, аппроксимирующим характеристику датчика. In the proposed method, the integrating capacitor is discharged at the second stage of integration by a source of varying current, approximating the characteristic of the sensor.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

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. From the output of the bridge 1, which includes a sensor R (x) having a non-linear characteristic, the measured signal is fed to operational amplifier 2. From the output of the operational amplifier, the measured signal is supplied to switch 3, which commutes the measured signal and the signal from the source of varying current, designed to discharge an integrating current capacitor, changing equivalent to the characteristic of the sensor. The source of the changing current is made on variable resistors 8, from the motors of which the reference voltages are removed and switched by the switch 9. From the output of the switch 3, the signals are fed to the integrator 4, where the integrating capacitor is charged with the measured signal at the first stage of integration and a piecewise linear approximation of the sensor characteristic to the second stages of integration. The output of the integrator 4 is connected to the comparator 5, generating a positive pulse in duration directly proportional to the amplitude of the signal coming from the output of the operational amplifier 2. A positive pulse at the output of the comparator 5 controls the circuit And 6, which passes pulses from the output of the clock generator 11 during the action of the positive pulse at the output of the comparator 5. Thus, a pulse train is formed in which the number of pulses is directly proportional to the gas concentration. The number of pulses is counted by a counter 7 and displays information on a digital display. Before each next burst of pulses, counter 7 is set to “0” by a pulse supplied to input R. Counter 10 generates commands for sequential operation of the switches and generates a pulse to reset counter 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.PRI me R. The method was implemented in the above manner when applied to the sensor calibration gas mixtures (1 wt. Of methane in air and 2.5 wt. Of methane in air) at a normal temperature at -20 ^{° C} and at 40 ° ^C.

Погрешность измерения способа, вызванная изменением температуры окружающей среды, составила ±20% Результаты измерений приведены в таблице. The measurement error of the method, caused by a change in ambient temperature, was ± 20%. The measurement results are shown in the table.

Предлагаемый способ определения концентрации газов прост в аппаратурном исполнении и имеет меньшую дополнительную погрешность измерения, вызванную изменением температуры окружающей среды. The proposed method for determining the concentration of gases is simple in hardware design and has a smaller additional measurement error caused by a change in ambient temperature.

Claims (1)

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. A method for determining gas concentration using a sensor with a non-linear characteristic, including the conversion of the sensor resistance into an electrical signal, its functional conversion, carried out according to the principle of piecewise linear approximation, and measurement, characterized in that the functional conversion of the sensor signal is carried out in the form of two-stage integration using an integrator with an integrating capacitor, while approximating the characteristics of the sensor is carried out in the second stage of integration of PU reference voltage supply it to the integrator for subsequent discharge of the integrating capacitor current equivalent to changing the nonlinear characteristic of the sensor.

Images