Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газоанализаторах горючих газов.

Для детектирования горючих газов в настоящее время активно применяются каталитические датчики, имеющие высокое быстродействие, длительный срок службы и низкую стоимость. Каталитические газочувствительные датчики обычно содержат два элемента – чувствительный (активный) и компенсационный (пассивный), заключённые в корпус с газопроницаемой мембраной. Элементы представляют собой нагреватели и, одновременно, термометры сопротивления (например, платиновые), заключённые в керамические капсулы. Капсула чувствительного элемента покрыта каталитическим слоем (платина и другие). Элементы подогреваются током внешнего источника до температуры, при которой на поверхности чувствительного элемента может происходить каталитическое окисление горючих газов. Типовое включение датчика – мостовая схема (фиг.1) [Дрейзин В.Э. Моделирование каталитического датчика водорода / В. Э. Дрейзин, Е.О. Брежнева, О. Г. Бондарь // Известия ЮЗГУ. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76].

В отсутствие горючих газов температура элементов одинакова, а мост сбалансирован. Появление в газовой смеси горючих газов (аналитов - ГОСТ Р 52361-2005) в присутствии кислорода приводит к окислительным процессам на поверхности чувствительного элемента и возрастанию его температуры. В идеальном случае каталитическая реакция на компенсационном элементе не происходит, а его назначение – компенсация влияния параметров окружающей среды. Сопротивление чувствительного элемента растёт, мост разбалансируется и на его измерительной диагонали появляется напряжение ΔU.

Однако в реальных преобразователях элементы влияют друг на друга из-за взаимного подогрева, что снижает чувствительность датчика. Различие температурных коэффициентов сопротивления нагревателей, функционирующих при разных температурах, приводит к неполной компенсации влияния температуры окружающей среды. Велика нелинейность характеристики из-за нелинейности мостовой схемы, изменения температурного коэффициента сопротивления нагревателей, выполняющих кроме подогрева функции термометров сопротивления, и скорости протекания реакции горения при изменении температуры. При больших концентрациях аналита температура чувствительного элемента существенно возрастает по сравнению с температурой в его отсутствии, что способствует загрязнению поверхности капсулы продуктами сгорания примесей, содержащихся в воздухе, её растрескиванию, потери чувствительности и сокращению срока службы датчика. Кроме того, существует вероятность «горения датчика» при высоких концентрациях аналита, проявляющаяся в саморазогреве даже при снятии напряжения питания и приводящая к спеканию датчика и его отказу.

Известен способ ослабления этих эффектов, особенность которого состоит в поддержании постоянной температуры чувствительного элемента. При попадании аналита на чувствительный элемент растёт его температура, а, следовательно, и сопротивление нагревателя. Цепь обратной связи отслеживает изменение падения напряжения на нагревателе и уменьшает мощность, подаваемую на датчик, тем самым стабилизируя его температуру. Данный режим позволяет линеаризовать выходную характеристику датчика, исключить выгорание, и спекание катализатора, и тем самым увеличить срок службы.

Известна реализация изотермического режима, осуществленная с использованием аналоговой схемотехники [Manginell, R. P. Moreno Electro-thermal modeling of a microbridge gas sensor / R. P. Manginell, J. H. Smith, A. J. Ricco, R. C. Hughes, D. J. Moreno // Sandia National Laboratories, Albuguergue, NM87185-1080. - 1997. - Р. 360-371]. В источнике приведена схема аналогового устройства, обеспечивающего изотермический режим, и содержащего: усилитель токового канала, дифференциальный усилитель, формирующий сигнал пропорциональный напряжению на чувствительном элементе, аналоговый делитель с выходным сигналом, пропорциональным сопротивлению элемента, и цепь обратной связи с усилителем и регулирующим элементом. Однако реализация на аналоговой элементной базе весьма громоздка, а аналоговый делитель имеет низкую точность. Изменение температуры окружающей среды, изменяет мощность, подводимую к чувствительному элементу и снижает точность измерений.

Наиболее близким решением является способ и устройство стабилизации параметров нагревателя чувствительного элемента датчика (далее нагревателя), который принят за прототип [Патент РФ №2304278, G01N27/12 «Способ стабилизации параметров микронагревателя измерительного элемента газового датчика и устройство для его осуществления», 10.08.2007, Бюл. № 22]. Способ стабилизации параметров заключается в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до рабочей температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют один из параметров нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора сигнал, пропорциональный величине этого параметра, при этом нагревают нагреватель чувствительного элемента, выполненный в виде термометра сопротивления с каталитическим слоем, импульсами тока стабилизированной амплитуды, в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную сопротивлению нагревателя, и стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к длительности паузы t_И/Т_ПАУЗА в сигнале управления, подаваемом с выхода ШИМ генератора.

Таким образом, электрически поддерживается величина активного сопротивления нагревателя, который одновременно является термометром сопротивления. Поскольку температура термометра сопротивления однозначно связана с его сопротивлением, то поддержание сопротивления автоматически означает поддержание его температуры. Величина сигнала, пропорционального сопротивлению нагревателя, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе с помощью, например, амплитудного детектора.

Одновременно, из той же последовательности выделяется сигнал, пропорциональный электрической мощности, выделившейся на нагревателе.

При отсутствии аналита чувствительный элемент датчика, находится в тепловом равновесии с постоянно обновляющимся газовым окружением. Это равновесие характеризуется подводом вполне определенного количества электрической энергии.

Сигнал, пропорциональный этому количеству электрической энергии, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе чувствительного элемента датчика соответствующим блоком в виде среднего действующего значения напряжения.

При появлении аналита, на каталитическом слое начинает выделяться дополнительная тепловая энергия, связанная с происходящими здесь химическими превращениями. При этом для поддержания установленной температуры требуется подвод меньшего количества электроэнергии.

В случае применения датчика термокаталитического типа, именно это уменьшение в потреблении электроэнергии, компенсируемое подводом дополнительного тепла от термокаталитической реакции, и является требуемым результатом, который выделяется в блоке выделения сигнала, пропорционального электрической мощности, и передается в блок отображения информации, шкала которого в этом случае тарируется в единицах концентрации аналита.

Недостатком данного решения является влияние температуры окружающей среды на результат измерения. При изменении температуры окружающей среды будет изменяться электрическая мощность, подводимая к нагревателю чувствительного элемента датчика, что будет приводить к изменению выходных показаний датчика при отсутствии изменения концентрации аналита. Кроме того, имеется источник погрешности, связанный с выделением из последовательности прямоугольных импульсов действующего значения напряжения, преобразованием его в значение мощности рассеиваемой нагревателем датчика и определением её приращения за счёт термокаталитической реакции.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешностей, связанных с колебаниями температуры окружающей среды и определением приращения мощности, за счёт термокаталитической реакции, с которым связана измеряемая концентрация газа.

Для достижения указанного результата предложен способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком, заключающийся в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до заданной температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют температуру нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную его сопротивлению зависящему от температуры, при этом нагревают нагреватель импульсами тока источника стабильного напряжения, протекающими через нагреватель и последовательно включённый опорный резистор, в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, при этом стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к периоду t_И/Т_{ПЕРИОДА} (коэффициент заполнения) в сигнале управления, подаваемом с выхода программно управляемого ШИМ генератора, запоминая значение длительности импульса t_И, при этом информативным параметром пропорциональным мощности выделяемой при каталитической реакции и, следовательно, концентрации аналита является разность длительностей импульсов t₀, соответствующего отсутствию аналита и t_И, соответствующего наличию аналита, причём длительность импульса для случая отсутствия аналита t₀ определяется расчётным методом по результатам измерения текущей температуры окружающей среды Т_С и на основании результатов калибровки в отсутствии аналита, представляющих собой длительности ШИМ-импульсов t₁ и t₂ при двух температурах окружающей среды Т_С1 и Т_С2 и значения этих температур, по формуле .

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – Мостовая схема включения каталитического датчика; фиг. 2 – Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ

Рассмотрим способ измерения детальнее.

Уравнение теплового баланса чувствительного элемента датчика при наличии и отсутствии аналита:

(1)

(2)

где P_Э, P_Э0 – электрические мощности, выделяющиеся на чувствительном элементе датчика при наличии и в отсутствии аналита соответственно, P_Х – дополнительная мощность, выделяющаяся на чувствительном элементе датчика за счёт химической реакции каталитического окислении аналита, R – сопротивление чувствительного элемента датчика (в изотермическом режиме не зависит от наличия или отсутствия аналита), U_А, I_А, U_А0, I_А0 – действующие значения напряжений и токов, чувствительного элемента датчика при наличии и отсутствии аналита, соответственно, T_И, Т_С – температура чувствительного элемента датчика и температура окружающей среды, соответственно, δ_Т – коэффициент теплоотдачи чувствительного элемента датчика.

Калибровка осуществляется при двух температурах окружающей среды Т_С1 и Т_С2 в отсутствие аналита. При этом мощности, выделяющиеся на чувствительном элементе датчика равны соответственно:

(3)

(4)

При известных мощностях P₁, P₂ и измеренных температурах Т_С1 и Т_С2 из (3) и (4) находим:

(5)

(6)

Подставляя вычисленные значения в (2), получим расчётное значение мощности, выделяемой на чувствительном элементе датчика в отсутствие аналита:

(7)

Вычитая из (7) (1) и решая относительно P_X, получим:

(8)

Среднее значение мощности, выделяющейся при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) равно мгновенной мощности умноженной на коэффициент заполнения К_З, равный отношению длительности импульса к периоду ШИМ.

Мгновенные мощности, выделяющиеся при протекании тока через нагреватель определяются через мгновенные значения напряжения и тока нагревателя:

(9)

где U_M, I_AM – амплитуды напряжений и токов.

Амплитудное значение тока нагревателя чувствительного элемента можно определить по падению напряжения на опорном резисторе, включённом последовательно с ним, и тогда мгновенная мощность:

(10)

где U_0M – амплитуда падения напряжения на опорном резисторе, R₀ – величина сопротивления опорного резистора.

При этом амплитуда падения напряжения на опорном резисторе определяется вычитанием амплитуды падения напряжения на чувствительном элементе датчика из напряжения источника стабильного напряжения. Так как параметры нагревателя стабилизируются, то мгновенные значения напряжений, токов и электрических мощностей в установившихся режимах являются константами независящими от температуры окружающей среды и концентрации аналита, а средние значения мощностей будут определяться коэффициентами заполнения широтно-модулированных импульсов и зависят от перечисленных факторов. Выражая все мощности через мгновенную мощность и соответствующие коэффициенты заполнения ШИМ, получим:

(11)

где К_З1=t₁/T_{ПЕРИОДА}, К_З2=t₂/T_{ПЕРИОДА}, К_З=t_И/T_{ПЕРИОДА}, а t₁, t₂, t_И – длительности импульсов пропорциональные соответствующим мощностям (выделяемой на чувствительном элементе электрической мощности в отсутствии аналита при температурах окружающей среды Т_С1 и Т_С2 и электрической мощности в присутствии аналита при температуре окружающей среды Т_С). Подставляя значения коэффициентов заполнения в (11) получим:

(12)

С учётом того, что концентрация аналита пропорциональна мощности химической реакции каталитического окисления:

(13)

где K – калибровочная константа, определяется при калибровке устройства (обычно при концентрации аналита, соответствующей ½ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР),

- представляет собой расчётную длительность ШИМ импульса в отсутствие аналита при температуре окружающей среды во время измерения концентрации аналита, t_И – длительность импульса, соответствующая электрической мощности, выделяющейся на чувствительном элементе при измерении концентрации аналита.

Следует обратить внимание на то, что в выражении (13) используется лишь отношение разностей температур. Это позволяет при измерении температуры игнорировать смещение функции преобразования датчика температуры и отклонение чувствительности от номинального значения, т.е. требуется лишь линейность функции преобразования. При этом Т_С1 и Т_С2 калибровочные константы, значения которых измеряются при калибровке с помощью датчика температуры и сохраняются в постоянной памяти микроконтроллера, а Т_С текущая температура окружающей среды, измеряемая с помощью того же датчика.

Выбор температур окружающей среды при калибровке осуществляется исходя из требований к диапазону рабочих температур и возможностей применяемых средств. При этом желательно максимальное их разнесение.

При применении программно управляемого ШИМ генератора (на основе, например, таймеров, встроенных в микроконтроллеры), коэффициенты заполнения и, следовательно, длительности импульсов в установившемся режиме являются известными регулируемыми величинами, обеспечивающими поддержание постоянной температуры и непосредственно определяет электрическую мощность, выделяющуюся на нагревателе чувствительного элемента. Поэтому никаких измерений электрической мощности нагревателя, ухудшающих точность измерения проводить не надо. Абсолютное значение падения напряжения на чувствительном элементе может отклоняться от номинального значения, но должна быть обеспечена его стабильность.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство состоит из нагревателя 1 чувствительного элемента датчика, являющимся одновременно термометром сопротивления, заключённым в капсулу, покрытую катализатором; источника стабильного напряжения 2; ключа 3, формирующего импульсы стабильной амплитуды на последовательно соединённых опорном резисторе 4 и чувствительном элементе датчика 1; микроконтроллера 5; датчика температуры 6; устройства индикации 7.

Выходы источника стабильного напряжения 2 подключены к последовательно соединённым нагревателю 1, опорному резистору 4 и ключу 3, а также к входам питания микроконтроллера 5 и входам питания датчика температуры 6; управляющий вход ключа 3 подключен к выходу 1 микроконтроллера 5, являющимся выходом ШИМ генератора реализованного на встроенном программно управляемом таймере; с точки соединения нагревателя 1 и опорного резистора 4 напряжение подаётся на вход 3 микроконтроллера 5, являющийся входом встроенного аналого-цифрового преобразователя; выход датчика температуры подключен к входу 4 микроконтроллера 5, являющегося вторым входом встроенного аналого-цифрового преобразователя; выход 2 микроконтроллера 5 присоединен к устройству индикации 7.

Устройство работает следующим образом.

Широтно-модулированные импульсы с выхода 1 микроконтроллера 5 поступают на управляющий вход ключа 3, представляющего собой полевой транзистор с изолированным затвором и низким сопротивлением открытого канала. Импульсы напряжения с источника стабильного напряжения 2 через ключ 3 поступают на последовательно соединённые опорный резистор 4 и нагреватель 1 чувствительного элемента датчика.

При открытом ключе 3 амплитуда падения напряжения на нагревателе 1 преобразуется встроенным аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и сравнивается с расчётным значением, соответствующим номинальной температуре чувствительного элемента при которой идёт термокаталитическая реакция. При отклонении от расчётного значения программно изменяется длительность импульсов ШИМ в следующем периоде и, следовательно, среднее значение за период ШИМ мощности подогрева. В установившемся режиме температура чувствительного элемента остаётся стабильной. Длительность импульса ШИМ сохраняется в качестве параметра, несущего информацию о мощности выделяемой на чувствительном элементе датчика. Температура окружающей среды преобразуется датчиком температуры 6 в постоянное напряжение (примером такого датчика может служить интегральный датчик температуры LM35 фирмы National Semiconductor) и периодически преобразуется в цифровой код встроенным аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера 5.

Концентрация аналита вычисляется в соответствии с выражением (13), в котором в режиме калибровки в отсутствие аналита измеряются и запоминаются в качестве констант температуры Т_С1, Т_С2 и соответствующие им значения длительностей импульсов ШИМ t₁ и t₂, пропорциональные мощностям нагревателя P₁ и P₂, обеспечивающим номинальное значение температуры чувствительного элемента в изотермическом режиме при соответствующих температурах окружающей среды. Коэффициент К определяется при калибровке устройства (обычно при концентрации аналита, соответствующей ½ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР) и также сохраняется в памяти микроконтроллера 5. Его определение целесообразно осуществлять при температуре окружающей среды Т_С1. Занесение констант в память микроконтроллера осуществляется управлением через сервисный разъём при калибровке при производстве и в процессе периодической калибровки.