Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах

Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах, який включає твердоелектролітний чутливий елемент з металевими електродами, що виконує функцію датчика температури терморегулятора та однієї із ланок неврівноваженого мосту змінного струму, виводи діагоналі живлення якого з'єднані з виходом генератора робочої частоти, виводи діагоналі вихідного сигналу - з входом першого підсилювача, генератор трикутних імпульсів, вихід якого підключений до одного з входів першого компаратора, а також вузол вимірювання, звязании з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елемента, комутатор, силовий ланцюг якого через нагрівач з'єднаний з виводами, для підключення напруги живлення, а один із керуючих входів з'єднаний з виходом першого компаратора, компенсаційний елемент, вхідними виводами зв'язаний з виводами для підключення напруги живлення, другий компаратор та електронний ключ, який відрізняється тим, що в нього введені замість електронного ключа другий підсилювач і додатково датчик температури перегріву, крім цього, вихідний вивід компенсаційного елемента підключений до додаткового керуючого входу першого підсилювача, вихід якого безпосередньо з'єднаний з другим входом першого компаратора, а вихід датчика температури перегріву через послідовно з'єднані другий підсилювач та другий компаратор сполучений з другим керуючим входом комутатора Винахід відноситься до галузі газоаналітичного приладобудування і може бути використаний для вимірювання концентрації кисню в газах ВІДОМІ пристрої, що застосовуються для вимірювання концентрації кисню в газах Один із відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах (див патент Великобританії №1313508 mG01N 27/46 1973) містить в собі твердоелектролітний чутливий елемент з електродами, а також датчик температури та регулятор температури Суттєвими недоліками даного пристрою є висока похибка, оскільки регулюється температура не твердоелектролітного чутливого елементу, а термочутливого елементу, який являється датчиком температури, а також низька надійність в зв'язку з наявністю двох теплочутливих елементів В друюму відомому пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах (див авт св СРСР №636521, кл G01N 27/46 1978), який складається з твердоелектролітного чутливого елементу з електродами та регутятора температури, значно зменшена похибка вимірювання і підвищена надійність роботи шляхом введення в регулятор температури мосту змінного струму функцію одної ланки якого виконує твердоелектролітний чутливий елемент - датчик температури Недоліками відомого пристрою є невисока точність вимірювання та малий ресурс роботи Причиною недоліків є можливість появлення мікрощілин у твердому електроліті внаслідок постачання на нагрівач в період виходу на робочий режим максимальної потужності від джерела живлення Третій із відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах (див авт св СРСР №1056034, кл G01N 27/46, 1983), який включає твердоелектролітний чутливий елемент з металевими електродами, що виконує функцію датчика температури терморегулятора та однієї із ланок неврівноваженого мосту змінного струму, генератор робочої частоти, підсилювач, мультивібратор, комутатор, нагрівач, та вимірювальний прилад, володіє більш високою точністю та характеризується значно більшим ресурсом роботи оскільки суттєво зменшена ймовірність появи мікрощілин у твердому електроліті за рахунок забезпечення поступового підвищення подачі на натрівач потужності нагріву Суттєвими недоліками ю ю 45745 ефективного режиму роботи терморегулятора, пристрою є низька точність вимірювання та недовиключенням можливості перегріву нагрівача в статньо високі експлуатаційні характеристики Ниаварійних ситуаціях, а також підвищенням ефекзька точність вимірювання пояснюється значним тивності роботи компенсаційного елемента значно впливом коливань напруги мережі живлення на спрощені процеси налагодження та експлуатації, величину робочої температури твердоелектролітпідвищені надійність та ресурс роботи, підвищена ного чутливого елементу Обмежені експлуатаційні точність вимірювання характеристики пояснюються великим проміжком часу виходу пристрою на робочий режим Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання концентрації кисню в З відомих пристроїв для вимірювання конценгазах, який включає твердоелектролітний чутлитрації кисню в газах більш близьким за технічною вий елемент з металевими електродами, що викосуттю й прийнятим за прототип (див авт св СРСР нує функцію датчика температури терморегулято№1259172, кп G01N 27/46 1985) є пристрій для ра та одної із ланок неврівноваженого мосту вимірювання концентрації кисню в газах, який змінного струму, виводи діагоналі живлення якого включає твердослектролітний чутливий елемент з з'єднані з виходом генератора робочої частоти, металевими електродами, що виконує функцію виводи діагоналі вихідного сигналу - з входом датчика температури терморегулятора та однієї із першого підсилювача, генератор трикутних Імпуланок неврівноваженого мосту змінного струму, льсів, вихід якого підключений до одного із входів виводи діагоналі живлення якого з'єднані з вихопершого компаратора, а також вузол вимірювання, дом генератора робочої частоти, виводи діагоналі зв'язаний з металевими електродами твердоелеквихідного сигналу - з входом першого підсилюватролітного чутливого елементу, комутатор, силоча, генератор трикутних Імпульсів, вихід якого підвий ланцюг якого через нагрівам з'єднаний з вивоключений до одного із входів першого компаратодами для підключення напруги живлення, а один із ра, а також вузол вимірювання, зв'язаний з керуючих входів з'єднаний з виходом першого металевими електродами твердоелектролітного компаратора, компенсаційний елемент, вхідними чутливого елементу, комутатор, силовий ланцюг виводами зв'язаний з виводами для підключення якого через нагрівач з'єднаний з виводами для напруги живлення, другий компаратор та електропідключення напруги живлення, а один із керуючих нний ключ, введені замість електронного ключа входів з'єднаний з виходом першого компаратора, другий підсилювач і додатково датчик температукомпенсаційний елемент, вхідними виводами звяри перегріву, крім цього вихідний вивід компенсазаний з виводами для підключення напруги живційного елемента підключений до додаткового лення, другий компаратор та електронний ключ керуючого входу першого підсилювача, вихід якого Відомий пристрій для вимірювання концентрабезпосередньо з'єднаний з другим входом першоції кисню в газах володіє більш високою точністю го компаратора, а вихід датчика температури певимірювання, підвищеним ресурсом роботи та регріву через послідовно з'єднані другий підсилюполіпшеними експлуатаційними характеристиками вач та другий компаратор сполучений з другим Точність вимірювання підвищена шляхом зменкеруючим входом комутатора шення впливу за допомогою компенсаційного елементу коливань напруги живлення на величину Нагрів твердоелектролітного чутливого елеробочої температури Підвищення ресурсу роботи менту складається з двох етапів На першому етата покращення експлуатаційних характеристик пі на нагрівач напруга живлення надходить безпедосягнуто тим, що на першому етапі нагріву на рервно, що забезпечує достатньо швидкий нагрів нагрівач подається половина потужності мережі твердоелектролітного чутливого елементу до проживлення і цим зменшується ймовірність виникміжної температури На другому етапі нагріву в нення теплового удару твердоелектролітного чутробочий режим входить ланцюг зворотнього зв'язливого елементу і як наслідок появи у ньому мікку, і напруга живлення на нагрівач надходить з рощілин, а на другому етапі на нагрівач подається переривнос-тю, яка визначається шпаруватістю максимальна потужність мережі живлення і цим роботи першого компаратора Під впливом ланцюзабезпечується подальший швидкий нагрів до рога зворотнього зв'язку шпаруватість надходження бочої температури та зменшення часу виходу принапруги живлення на нагрівач поступово збільшустрою на третій робочий режим ється, що забезпечує подальший менш швидкий підігрів твердоелектролітного чутливого елементу Однак, суттєвими недоліками відомого придо робочої температури та перехід на режим австрою є складність схемного і технічного рішення, томатичного підтримування робочої температури складність налагодження та експлуатації, що поУ випадках виникнення аварійних ситуацій, які яснюється необхідністю забезпечення трьох етапів можуть привести до суттєвого підвищення темпевиходу на робочий режим, а також великим проміратури нагрівача, під впливом сигналу датчика жком часу виходу на режим включення ланцюга температури перегріву спрацьовує другий компазворотнього зв'язку терморегулятора, понижені ратор, і терморегулятор автоматично переходить надійність та ресурс роботи в зв'язку з можливим на режим обмеження температури нагрівача на значним перегрівом нагрівача та виходом його з допустимому рівні При ЗМІНІ напруги живлення ладу у випадках аварійних ситуацій, недостатньо ефективність роботи компенсаційного елементу висока точність вимірювання, що пояснюється підвищується, оскільки вплив сигналу на роботу невисокою ефективністю роботи компенсаційного першого компаратора здійснюється через перший елемента підсилювач В основу винаходу поставлена задача створення пристрою для вимірювання концентрації На фіг 1 показана функціональна схема закисню в газах, в якому шляхом організації високопропонованого пристрою для вимірювання конце 45745 нтрацм кисню в газах, на фіг 2 діаграми напруг, що пояснюють його роботу Запропонований пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах містить в собі твердоелектролітний чутливий елемент 1, металеві електроди 2, генератор 3 робочої частоти, перший підсилювач 4, генератор 5 трикутних імпульсів, перший компаратор 6, комутатор 7, нагрівач 8, виводи 9, 10, для підключення напруги живлення, компенсаційний елемент 11, резистори 12, 13, 14 неврівноваже-ного мосту змінного струму, датчик 15 температури перегріву, другий підсилювач 16, другий компаратор 17 та вузол 18 вимірювання Виводи діагоналі живлення неврівноваженого мосту змінного струму, ланки якого створені резисторами 12, 13, 14 та твердоелектролітним чутливим елементом 1 з електродами 2, з'єднані з вихідними виводами генератора 3 робочої частоти, виводи діагоналі вихідного сигналу - з вхідними виводами першого підсилювача 4, вихід якого підключений до одного із входів першого компаратора 6 До другого входу першого компаратора 6 підключений вихід генератора 5 трикутних імпульсів, а до його виходу - один із керуючих входів комутатору 7 Один із силових виводів комутатора 7 безпосередньо, а другий через нагрівач 8, сполучені з виводами 9, 10 для підключення напруги живлення Компенсаційний елемент 11 вхідними виводами з'єднаний виводами 9, 10 для підключення напруги живлення, а вихідним - з додатковим керуючим входом першого підсилювача 4 Вихід датчика 15 температури через послідовно з'єднані другий підсилювач 16 та другий компаратор 17 зв'язаний з другим керуючим входом комутатора 7, а вхід вузла 18 вимірювання з'єднаний з металевими електродами 2 Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах працює наступним чином Вихідна напруга генератора 3 робочої частоти надходить на неврівноваже-ний міст змінного струму, резистор 14 якого забезпечує встановлення робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу 1 В початковий момент при включенні пристрою максимальна напруга розбалансу мосту, яка пропорційна електричному опору твердоелектролітного чутливого елементу 1, з діагоналі не-врівноваженого мосту змінного струму подається на вхід першого підсилювача 4 Підсилений сигнал з виходу першого підсилювача 4 надходить на один із входів першого компаратора 6, на його другий вхід подається сигнал з виходу генератора 5 трикутних імпульсів Оскільки в початковий момент вихідна напруга першого підсилювача 4 (ІЦа ,Фіг2) має значно більшу величину в порівнянні з вихідною напругою генератора 5 трикутних імпульсів (Us ,Фіг 2), на виході першого компаратора 6 формується позитивна напруга (ІІба ,Фіг2), яка установлює провідний режим роботи комутатора 7 та початок першого етапу нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1, в якому через комутатор 7 напруга живлення на нагрі-вач 8 (Usa ,Фіг2) надходить безперервно, що забезпечує достатньо швидкий нагрів твердоелектролітного чутливого елементу 1 до проміжної температури Внаслідок певного значення теплоємності твердоелектролітного чутливого елементу 1 швидкість його нагріву, особливо на початку нагріву, значно менша в порівнянні з швидкістю нагріву нагрівача 8, що виключає можливість виникнення теплового удару, який може привести до появи в ньому мікрощілин і цим самим суттєво знизити точність вимірювання Оскільки величина електричного опору твердоелектролітного чутливого елементу 1 обернено пропорційна температурі його нагріву, з підвищенням температури нагріву зменшується напруга розбалансу неврі-вноваженого мосту змінного струму, зменшується і вихідна напруга першого підсилювача 4 (ІЦв ,Фіг 2) При досягненні температури нагріву свого проміжного значення, вихідна напруга першого підсилювача 4 (Олс ,Фіг2) знижується до величини амплітудного значення вихідної напруги генератора 5 трикутних імпульсів (Us ,Фіг2), після чого починається другий етап нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1 На другому етапі нагріву в робочий режим входить ланцюг зворотнього зв'язку, і напруга живлення на нагрівай 8 надходить з переривностю, яка визначається шпаруватістю роботи першого компаратора 6 Під впливом ланцюга зворотнього зв'язку шпаруватість напруги, яка надходить на нагрівач 8, поступово збільшується, що забезпечує подальший менш швидкий підігрів твердоелектролітного чутливого елементу 1 до робочої температури та перехід на режим автоматичного підтримання робочої температури Так, в проміжний момент часу другого етапу нагріву, коли вихідна напруга першого підсилювача 4 зменшується до величини ІЦд (Фіг 2), шпаруватість вихідної напруги першого компаратора 6 (ІІбв ,Фіг 2) має величину (t6 - t2)/(t6 - t3), (ІЦв ,Фіг2), а напруга живлення на нагрівач 8 надходить з переривностю fa - h), USB ФІГ 2), яка визначається величиною шпаруватості вихідної напруги першого компаратора 6 При нагріві твердоелектролітного чутливого елементу 1 до робочої температури (600 - 1000)°С наступає баланс неврівноваженого мосту змінного струму, і починається режим автоматичного підтримання робочої температури В цей момент вихідна напруга першого підсилювача 4 стає ще меншою та маг розрахункову величину ІЦс (Фіг 2), а шпаруватість вихідної напруги першого компаратора 6 (ІІбс фіг 2), та напруги що надходить на нагрівач 8 (Use Фіг 2), стає більшою і має розрахункову величину (ts - ti)/( ts -14) (Фіг 2) В подальшому робоча температура твердоелектролітного чутливого елементу 1 при впливі різних температурних факторів підтримується на заданому рівні за рахунок відповідної зміни шпаруватості роботи нагрівача 8 під впливом вихідного сигналу першого підсилювача 4 ланцюга зворотнього зв'язку Наприклад, при зменшенні робочої температури твердо-електролітного чутливого елементу 1, збільшується напруга розбалансу неврівноваженого мосту змінного струму, збільшується вихідна напруга першого підсилювача 4, зменшується ВІДПОВІДНО шпаруватість вихідної напруги першого компаратора 6, та напруги живлення, що поступає на нагрівач 8 В результаті збільшується потужність нагріву нагрівача 8, а температура нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1 підвищується до своєї заданої робочої'1 величини, при якій знову наступає баланс неврівноваженого 45745 8 мосту змінного струму У випадку підвищення темОсновні розрахункові співвідношення вихідних ператури нагріву твердоелектролітного чутливого параметрів елементів пристрою елементу 1 в порівнянні з заданою робочою вели• для забезпечення високої точності роботи чиною ланцюг зворотнього зв'язку працює в звороланцюга зворотнього зв'язку терморегулятора частному порядку Таким чином, в пристрої забезпетота трикутних імпульсів генератора 5 повинна чується автоматична підтримка робочої бути в 10-20 разів меншою ніж частота напруги температури твердоелектролітного чутливого живлення (Fu8a/Fu5=10-20, Фіг 2), елементу 1 постійною в межах ±5°С, що мінімізує • шпаруватість вихідної напруги першого комтемпературну похибку вимірювання концентрації паратора 6 (ІІбс) при номінальному значенні напрукисню в газах ги живлення і балансі неврівноваженого мосту змінного струму повинна мати величину близьку Оскільки ланцюг зворотнього зв'язку не встиflo(t5-t1)/(t5-t4)=2,0, фіг 2), гає відпрацьовувати короткі стрибки напруги живлення і температура нагріву твердоелектролітного • вихідна напруга першого підсилювача 4 (ІЦе) чутливого елементу 1 може вийти із допустимих при номінальному значенні напруги живлення і меж, для зниження похибки вимірювання при вебалансі неврівноваженого мосту змінного струму ликих стрибках напруги живлення в схемі приповинна мати величину в декілька разів меншу від строю передбачений компенсаційний елемент 11 максимальної величини вихідної напруги генераЙого зв'язок з додатковим входом першого підситора 5 трикутних імпульсів (Us, Фіг 2) Таким чином лювача 4 підвищує ефективність роботи та точодержаний пристрій для вимірювання концентрації ність вимірювання, внаслідок чого перший компакисню в газах, що володіє ратор 6 отримує значно більший сигнал з виходу 1 Простотою схемного та технічного виконанпершого підсилювача 4 що призводить до більш ня, простотою налагодження та експлуатації зашвидкої зміни шпаруватості напруги живлення, яка вдяки організації високоефективного режиму напоступає на нагрівач 8 Тобто, нагрівач 8 в моменгріву твердоелектролітного чутливого елементу 1, ти стрибків напруги живлення одночасно одержує який заклю-чається в швидкому нагріві на першоеквівалентну компенсаційну потужність, яка забезму етапі та короткому проміжку часу виходу на печує ПОСТІЙНІСТЬ робочої температури твердоеледругий етап нагріву, коли в роботу включається ктролітного чутливого елементу 1 ланцюг зворотного зв'язку, що заздалегідь дає інформацію про нормальний процес нагріву, та У випадках, коли з причин виходу із ладу елезабезпечує подальший поступовий підігрів тверментів та вузлів пристрою або при перехідних доелектролітного чутливого елементу 1 до робочої процесах багаторазових включень виникає перетемператури, грів нагрівача 8 до заданої допустимої температури, включається в роботу датчик 15 температури 2 Підвищеними надійністю та ресурсом робоперегріву, і на його виході з'являється сигнал пети, з меншими витратами на експлуатацію та ререгріву, який підсилюється за допомогою другого монт, оскільки повністю виключена можливість підсилювача 16 та поступає на вхід другого компаперегріву нагрівача і виходу його з ладу у випадратора 17 Під ВПЛИВОМ ВИХІДНОГО сигналу другого ках відмови елементів ланцюга зворотнього зв'язпідсилювача 16 спрацьовує другий компаратор 17 ку та забезпечена можливість проведення ремоні переводить комутатор 7 в режим підтримання тних робіт без вимикання пристрою, допустимої підвищеної температури нагрівача 8, 3 Підвищеною точністю вимірювання при вещо виключає подальший перегрів нагрівача та ликих стрибках напруги живлення завдяки більш вихід його з ладу Якщо підвищення температури ефективній роботі компенсаційного елемента, при нагрівача 8 пов'язане з перехідними процесами в якій нагрівач 8 одночасно одержує еквівалентну мережі живлення або великими стрибками напруги компенсаційну потужність нагріву живлення, то при припиненні цих процесів темпеСлід відзначити, що наведені переваги запроратура нагріву нагрівача 8 зменшується до робочої понованого пристрою для вимірювання концентвеличини, і пристрій продовжує працювати в норрації кисню в газах в порівнянні з прототипом домальному режимі У випадках виходу з ладу елесягнуті за рахунок збільшення виконуючих функцій ментів або вузлів пристрою потрібен їх ремонт та його елементів без суттєвого ускладнення схеми заміна, при цьому, температура нагрівача 8 підЕкспериментальні дослідження підтвердили тримується на допустимому рівні, ремонтні роботи працездатність і позитивні якості запропонованого можуть проводитись без вимикання приладу, що пристрою для вимірювання концентрації кисню в значно спрощує експлуатацію пристрою та суттєво газах знижує його вартість Запропоноване технічне рішення використане нри розробці газоаналізатора кисню 151ЭХ02 ОчіНа електродах 2 твердоелектролітного чутликуваний економічний ефект від впровадження вого елементу 1, нагрітого до робочої температуприладу 151ЭХ02 в різних галузях народного госри, наводиться електрорушійна сила, яка вимірюподарства, наприклад теплоенергетиці, може ється за допомогою вузла 18 вимірювання скласти 5-7% від витрат палива в рік Величина електрорушійної сили визначає рівень концентрації кисню в газах 45745 10 ffel із m ггп гг іч ts is ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71