Термокаталітичний датчик горючих газів

Запропонований винахід належить до області газового аналізу і може бути застосований в газоаналізаторах горючих газів, що використовують термокаталітичний метод газового аналізу і, зокрема, у засобах ша хтної метанометрії. Відомі термокаталітичні газоаналізатори і сигналізатори горючих газів мають діапазон вимірів чи сигнальних концентрацій, що не перевищує 50-100% від нижньої концентраційної границі розповсюдження полум'я [див. Сигналізатор СГГ-4М Те хнічні умови ТУ 25-7407.043-91, № Госреєстра Росії 12809-99, ФДУП «СПО Аналитприбор», м. Смоленськ, Росія]. Для метану або природного газу ця величина відповідає значенням об'ємних часток від 2,5 до 5%. Така межа вимірів (сигнальних концентрацій) є максимально можливою для відомих термокаталітичних датчиків по-перше, тому, що при великих концентраціях настає неприпустимий перегрів чутливих елементів через екзотермічну реакцію окислювання горючих газів на їхній поверхні, що призводить до спікання каталізатора, його деградації, утрати чутливості, а іноді, до розтріскування та руйнування вимірювального чутливого елемента. Крім того, відомі термокаталітичні датчики неоднозначні, - вони можуть мати той самий вихідний сигнал на достехіометричних та післястехіометричних концентраціях (наприклад, для метану однаковий вихідний сигнал може бути при значеннях об'ємних часток близько 7% та близько 30%). Для забезпечення однозначності інформації в комплекті з термокаталітичним датчиком необхідно використовува ти другий, наприклад термокондуктометричний датчик, що має близьку до лінійної функцію перетворення в діапазоні об'ємних часток до 100% [див. патент №13933 А, Україна, G01N27/18, 1995р.]. Для захисту чутливи х елементів термокаталітичного датчика від теплових перевантажень розроблені різні алгоритми зниження електричної потужності, подаваної на вимірювальний чутливий елемент при його роботі в середовищі горючих газів [див. авт. свід. СРСР №1427276, G01N27/16, 1986р.]. Відомий також термокаталітичний датчик, що містить вимірювальний і компенсаційний чутливі елементи, з'єднані в мостову вимірювальну схему і регулятор, що забезпечує стабілізацію напруги на вимірювальному чутливому елементі при будь-яких значеннях об'ємних часток горючих газів [див. патент № 18094А, Україна, G01N25/22, 1995р.]. Основним недоліком цього відомого рішення, визначеного як прототип, є теплові перевантаження каталізатора вимірювального чутливого елемента і неоднозначність вихідного сигналу. У основу винаходу поставлено завдання створити такий термокаталітичний датчик горючих газів, в якому без застосування додаткових елементів розширено діапазон сигнальних концентрацій до 100% об'ємної частки зі збереженням однозначності вихідного сигналу у всьому діапазоні. Поставлене завдання розв'язується за рахунок того, що термокаталітичний датчик горючих газів, який містить вимірювальний і компенсаційний чутливі елементи, з'єднані в мостову вимірювальну схему, стабілізатор струму чутливи х елементів, підсилювач сигналу мостової вимірювальної схеми і підключений до його виходу компаратор формування аварійного сигналу, згідно винаходу, він містить пристрій шунтування вимірювального чутливого елемента, вхід якого з'єднано з виходом підсилювача сигналу мостової вимірювальної схеми, а вихід - з вимірювальним чутливим елементом, а також компаратор підтримки аварійного сигналу, вхід якого з'єднано с компенсаційним чутливим елементом, а вихід - з виходом компаратора формування аварійного сигналу. Для виключення теплового перевантаження датчика на високих концентраціях у нього введено пристрій шунтування вимірювального чутливого елемента при досягненні концентрацією горючого газу визначеного значення. При шунтуванні струм, що протікає через вимірювальний чутливий елемент знижується, що забезпечує захист елемента від теплового перевантаження. Завдяки тому, що мостова вимірювальна схема живиться в режимі стабілізації струму, шунтування вимірювального чутливого елемента не впливає на величину стр уму, що протікає через компенсаційний чутливий елемент. Це дозволяє використовувати компенсаційний чутливий елемент термокаталітичного датчика в якості термокондуктометричного чутливого елемента високих концентрацій горючого газу. За рахунок термокондуктометричного ефекту компенсаційний чутливий елемент у середовищі горючого газу має іншу температуру ніж у повітрі і, відповідно, інше падіння напруги. Гази з високою теплопровідністю (метан, водень) знижують температуру (і напругу) на чутливому елементі, а гази з низькою теплопровідністю (етан, пропан, бутан) підвищують. Ця зміна напруги фіксується компаратором підтримки аварійного сигналу і він видає аварійний сигнал. При високих (післястехіометричних) концентраціях горючого газу сигнал термокаталітичного датчика знижується через недостачу кисню і компаратор формування аварійного сигналу може припинити видачу аварійного сигналу. Цим обумовлене явище неоднозначності. Наявність компаратора підтримки аварійного сигналу в запропонованому пристрої, що при зміні напруги на компенсаційному чутливому елементі за рахунок термокондуктометричного ефекту дублює формування аварійного сигналу, дозволяє виключити неоднозначність і забезпечити видачу датчиком аварійного сигналу у всьому діапазоні можливих концентрацій горючого газу. На Фіг.1 зображено функціональну схему запропонованого датчика; на Фіг.2 зображено залежності вихідного сигналу мостової вимірювальної схеми від концентрації горючого газу (метану) при відсутності шунтування вимірювального чутливого елемента (пунктиром) і при шунтуванні (суцільною лінією). З аналізу цих залежностей видно, що без шунтування, сигнал датчика на стехіометричній концентрації досягає аномально високого значення, що призводить до теплового перевантаження каталізатора, утрати чутли вості (частково відновлюваної згодом), і, як наслідок цього - до провалу характеристики. При шунтуванні ріст сигналу (а значить і теплового навантаження на вимірювальний чутливий елемент) обмежується, провал характеристики відсутній, а на концентраціях, що наближаються до 100% сигнал монотонно знижується за рахунок падіння інтенсивності термокаталітичної реакції через дефіцит кисню в аналізованому середовищі; на Фіг.3 зображено залежність напруги на компенсаційному чутливому елементі від концентрації горючого газу (метану). Із неї видно, що за рахунок ефекту термокондуктометричного охолодження напруга на компенсаційному чутливому елементі в середовищі 100% метану знижується (у порівнянні з напругою на повітрі) приблизно на 200мВ. Запропонований датчик містить стабілізатор струму 1, підсилювач 2, компаратор 3 для формування аварійного сигналу, компаратор 4 підтримки аварійною сигналу, вимірювальний чутливий елемент 5 і компенсаційний чутливий елемент 6, які з'єднані в мостову вимірювальну схему 7, та пристрій 8 для шунтування вимірювального чутливо го елемента. Мостова вимірювальна схема 7 живиться від стабілізатора струму 1. Її ви хід з'єднано з входом підсилювача 2, вихід якого, у свою чергу, з'єднано з входами компаратора 3 і пристрою 8 для шунтування вимірювального чутливого елемента 5. Вхід компаратора 4 підтримки аварійного сигналу з'єднано з компенсаційним чутливим елементом 6. Виходи компараторів 3 і 4 з'єднано з виконавчим пристроєм аварійної сигналізації (на Фіг.1 він не показаний). Працює запропонований термокаталітичний датчик горючих газів таким чином. При відсутності горючого газу в аналізованому середовищі сигнал на виході мостової вимірювальної схеми 7 відсутній, відповідно відсутній сигнал і на виході підсилювача 2. Компаратор формування аварійного сигналу 3, що відслідковує вихідний сигнал підсилювача 2, не спрацьовує і, відповідно, не видає аварійний сигнал. Напруга на компенсаційному чутливому елементі 6 максимальна (тут і далі розглядається робота датчика стосовно до випадку, коли горючий газ має більшу теплопровідність, ніж повітря). Компаратор підтримки аварійного сигналу 4, що відслідковує зміну напруги на компенсаційному чутливому елементі 5, не спрацьовує і, відповідно, не видає аварійний сигнал. Датчик в цілому працює в режимі очікування і аварійного сигналу не видає. У міру появи горючих газів в аналізованому середовищі на виході мостової вимірювальної схеми 7 формується сигнал, відповідно посилений сигнал з'являється і на виході підсилювача 2. Напруга на компенсаційному чутливому елементі 6 починає знижуватися. Коли концентрація горючого газу досягає порога С п спрацьовування аварійної сигналізації (див. Фіг.2) на виході мостової вимірювальної схеми 7 з'являється напруга Un (Фіг.2). При цьому відповідно посилена напруга, пропорційна Uш, надходить на вхід компаратора формування аварійного сигналу 3, він спрацьовує, і на його виході з'являється аварійний сигнал. При подальшому збільшенні концентрації горючого газу до значення С ш (Фіг.2) на виході мостової вимірювальної схеми з'являється напруга Uш (Фіг.2). При цьому відповідно посилена напруга, пропорційна Uш надходить на вхід пристрою шунтування вимірювального чутливого елемента 8, він спрацьовує і шунтує вимірювальний чутливий елемент 5. Подальший ріст сигналу мостової вимірювальної схеми 7 при збільшенні концентрації пального газу припиняється і теплове навантаження на вимірювальний чутливий елемент 5 обмежується. Наступне збільшення концентрації горючого газу до значення С 1 (див. Фіг.3) приводить до зниження напруги на компенсаційному чутливому елементі 6 до значення U1 (Фіг.3). При цьому спрацьовує компаратор 4 підтримки аварійного сигналу і починає дублювати аварійний сигнал компаратора 3 для формування аварійного сигналу. Компаратор 4 підтримки аварійного сигналу продовжує видавати аварійний сигнал при збільшенні концентрації горючого газу до 100% (Фіг.3). При подальшому збільшенні концентрації горючого газу від С1 до С 2 (Фіг.2) сигнал мостової вимірювальної схеми 7 знижується до значення Uп (Фіг.2) через дефіцит кисню в аналізованому середовищі. При цьому компаратор 3 для формування аварійного сигналу відключається і перестає видавати аварійний сигнал. Але компаратор 4 підтримки аварійного сигналу продовжує видавати аварійний сигнал. Так як С 1 менше С2, то компаратор 4 включається раніш, ніж відключається компаратор 3. Таким чином, датчик видає аварійний сигнал в області концентрацій горючого газу від порогового значення Сп до 100%. Функціональна схема датчика, яка представлена на Фіг.1, може бути принципово реалізована на операційних підсилювачах при використанні стандартних схемотехнічних рішень. Пристрій шунтування вимірювального чутливого елемента виконується як компаратор, що управляє шунтуючим транзистором. Ця ж функціональна схема може бути реалізована на базі відповідно запрограмованого мікроконтролера. При практичній реалізації датчика як метансигналізатора, сполученого з шахтним головним світильником, обрані наступні значення характерних концентрацій метану: Сп=1,0-2,5%, Сш=3,0%, С1=30,0%, С2=65,0-90,0%. При цьому характерні напруги мостової вимірювальної схеми складають: Uп=30-100мв, Uш=120-140мв, Uo-U1=100мв.