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, зв'язаний з металевими електро дами твердоелектролітного чутливого елементу, 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, а вихідним виводом сполучений з додатковим керуючим входом першого підсилювача, вихід якого безпосередньо з'єднаний з другим входом першого компаратора, датчик температури перегріву, вихід якого через послідовно з'єднані другий підсилювач та другий компаратор сполучений з другим керуючим входом комутатора, який відрізняється тим, що в нього введений вузол формування резервної номінальної величини температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу, вимірювальний елемент якого зв'язаний з виходом другого компаратора, а пороговий елемент з'єднаний з додатковим - регулюючим температуру перегріву - виводом другого компаратора Запропонований винахід відноситься до галузі газоаналітичного приладобудування і може бути використаним для вимірювання концентрації кисню в газах ВІДОМІ пристрої, що застосовуються для вимірювання концентрації кисню в газах та володіють високими експлуатаційними характеристиками Один із відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах (див авт св СРСР №1056034, кл G10N 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 достатньо високою точністю вимірювання та підвищеним ресурсом роботи оскільки суттєво зменшена ймовірність появи мікрощілин у твердому електроліті за рахунок забезпечення поступового підвищення подачі на нагрівач потужності нагріву Суттєвими недоліками пристрою є недостатньо висока точність вимірювання та недостатньо високі експлуатаційні характеристики Низька точність вимірювання пояснюється значним впливом коливань напруги мережі живлення на величину робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу Обмежені експлуатаційні характеристики пояснюються великим проміжком часу виходу пристрою на робочій режим Другим з відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах (див авт св СРСР № 1259172, кл G01N 27/46 1985) містить в собі 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 із входів першого компаратора, а також (О 47746 вузол вимірювання, звязании з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елементу, комутатор, силовий ланцюг якого через нагрівам 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 Відомий пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах володіє більш високою точністю вимірювання, підвищеним ресурсом роботи та поліпшеними експлуатаційними характеристиками Точність вимірювання підвищена шляхом зменшення впливу за допомогою компенсаційного елементу коливань напруги живлення на величину робочої температури Підвищення ресурсу роботи та покращення експлуатаційних характеристик досягнуто тим, що на першому етапі нагріву на нагрівач подається половина потужності мережі живлення і цим зменшується ймовірність виникнення теплового удару твердоелектролітного чутливого елементу і як наслідок появи у ньому мікрощілин, а на другому етапі на нагрівач подається максимальна потужність мережі живлення і цим забезпечується подальший швидкий нагрів до робочої температури та зменшення часу виходу пристрою на третій робочий режим Однак, суттєвими недоліками відомого пристрою є складність схемного і технічного рішення, складність налагодження та експлуатації, що пояснюється необхідністю забезпечення трьох етапів виходу на робочий режим, а також великим проміжком часу виходу на режим включення ланцюга зворотнього зв'язку терморегулятора, понижені надійність та ресурс роботи в зв'язку з можливим значним перегрівом нагрівача та виходом його з ладу у випадках аварійних ситуацій, недостатньо висока точність вимірювання, що пояснюється невисокою ефективністю роботи компенсаційного елемента З відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах більш близьким за технічною суттю й прийнятим за прототип (див Деклараційний патент на винахід України №40394 А, кл G01N 27/46, 2001 р) є пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах, який включає твердоелектролітний чутливий елемент з металевими електродами, що виконує функцію датчика температури терморегулятора та одної 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 із входів першого компаратора, а також вузол вимірювання, зв'язаний з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елементу, 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, а вихідним виводом сполучений з додатковим керуючим вхо дом першого підсилювача, вихід якого безпосередньо з'єднаний з другим входом компаратора, датчик температури перегріву, вихід якого через послідовно з'єднані другий підсилювач та другий компаратор сполучений з другим керуючим входом комутатора У відомому пристрою нагрів твердоелектролітного чутливого елементу складається з двох етапів На першому етапі на нагрівач напруга живлення надходить безперервно, що забезпечує достатньо швидкий нагрів твердоелектролітного чутливого елементу до проміжної температури На другому етапі нагріву в робочий режим входить ланцюг зворотнього зв'язку, і напруга живлення на нагрівач надходить з переривностю, яка визначається шпаруватістю роботи першого компаратора Під ВПЛИВОМ ланцюга зворотнього зв'язку шпаруватість надходження напруги живлення на нагрівач поступово збільшується, що забезпечує подальший менш швидкий підігрів твердоелектролітного чутливого елементу до робочої температури та перехід на режим автоматичного підтримування робочої температури У випадках виникнення аварійних ситуацій, які можуть привести до суттєвого підвищення температури нагрівача, під впливом сигналу датчика температури перегріву спрацьовує другий компаратор, і терморегулятор автоматично переходить на режим обмеження температури нагрівача на допустимому рівні При ЗМІНІ напруги живлення ефективність роботи компенсаційного елементу підвищується, оскільки вплив сигналу на роботу першого компаратора здійснюється через перший підсилювач Тобто у відомому пристрої значно спрощені процеси налагодження та експлуатації, підвищені надійність та ресурс роботи, підвищена точність вимірювання Однак, суттєвими недоліками відомого пристрою, які обмежують його застосування, є недостатньо високі надійність та ресурс роботи, недостатньо висока точність вимірювання, підвищена потужність споживання Ці недоліки пояснюються тим, що після переходу терморегулятора на режим обмеження температури нагрівача на допустимому рівні у зв'язку з виникненням аварійної ситуації, суттєво знижується точність вимірювання та значно підвищується потужність нагріву нагрівача, підвищується потужність витрат електроенергії, підвищується ймовірність швидкого перегорання нагрівача В основу винаходу поставлена задача створення пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах, в якому шляхом забезпечення формування резервної робочої температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу після виникнення аварійної ситуації і короткочасного підвищення температури нагріву нагрівача до допустимого рівня, підвищені надійність та ресурс роботи, підвищена точність вимірювання, знижені потужність споживання та потужність нагріву нагрівача, зменшена ймовірність швидкого перегорання нагрівача Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання концентрації кисню газах, який включає твердоелектролітний елемент з 47746 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 із входів першого компаратора, а також вузол вимірювання, зв'язаний з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елементу, 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, а вихідним виводом сполучений з додатковим керуючим входом першого підсилювача, вихід якого безпосередньо з'єднаний з другим входом першого компаратора, датчик температури перегріву, вихід якого через послідовно з'єднані другий підсилювач та другий компаратор сполучений з другим керуючим входом комутатора, введений вузол формування резервної номінальної величини температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу, вимірювальний елемент якого зв'язаний з виходом другого компаратора, а пороговий елемент з'єднаний з додатковим - регулюючим температуру перегріву - виводом другого компаратора Після виникнення аварійної ситуації, коли спрацьовує датчик температури перегріву, і комутатор переходить в режим підтримання допустимої підвищеної температури нагрівача, спрацьовує вузол формування резервної номінальної величини температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу, пороговий елемент якого впливає на другий компаратор, та зменшує поріг підтримання допустимої температури нагрівача до номінального значення На фіг 1 показана функціональна схема запропонованого пристрою для вимірювання концентрації 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 неврівноваженого мосту змінного струму, датчик 15 температури перегріву, другий підсилювач 16, другий компаратор 17, вузол 18 вимірювання та вузол формування резервної номінальної величини температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу, що складається з вимірювального елементу 19 і порогового елементу 20 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 з виводами 9, 10 для підключення напруги живлення, а вихідним - з додатковим керуючим входом першого підсилювача 4 Вихід датчика 15 температури перегріву 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 Вимірювальний елемент 19 одним виводом зв'язаний з виходом другого компаратора 17, а другим виводом через пороговий елемент 20 з'єднаний з додатковим - регулюючим температуру перегріву виводом другого компаратора 17 Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах працює наступним чином У нормальному режимі роботи твердоелектролітний чутливий елемент 1, нагрітий за допомогою нагрівача 8 до робочої температури (ТрОб, Фіг 2), при цьому на електродах 2 наводиться електрорушійна сила, яка вимірюється за допомогою вузла 18 вимірювання Величина електрорушійної сили визначає рівень концентрації кисню в газах Стабільність робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу 1 при різних дестабілізуючих факторах забезпечується за рахунок відповідної зміни шпаруватості вихідного сигналу першого компаратора 6, та, ВІДПОВІДНО, ЗМІНИ по дачі величини напруги живлення на нагрівач 8 під впливом сигналу першого підсилювача 4 ланцюга зворотнього зв'язку (to-ts, Фіг 2) В момент виникнення аварійної ситуації, (ts, Фіг 2), коли на виході першого компаратора 6 формується постійний рівень керуючої напруги (ІІє, tst є,Фіг 2), на нагрівач 8 напруга живлення поступає безперервно (Us, ts-t6, Фіг 2), і температура нагріву нагрівача 8 підвищується (ТПіДВ, Фіг 2) При підвищені температури нагрівача 8 до допустимої температури (Твдоп, t6, Фіг 2) спочатку спрацьовує датчик 15 температури перегріву, який за допомогою другого підсилювача 16 та другого компаратора 17 переводить комутатор 7 в режим підтримання допустимої підвищеної температури нагрівача 8 (Те доп, Ъз-1ю,Ф|Г2) Після ЦЬОГО спрацьовує вимірювальний елемент 19 вузла формування резервної робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу (tio, Фіг 2), і вихідний сигнал порогового елементу 20 через додатковий - регулюючий температуру перегріву - вивід другого компаратора 17 змінює режим роботи компаратора 17 таким чином, що комутатор 7 переходить на режим підтримання резервної робочої температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу В результаті температура нагрівача 8 спочатку знижується (Л~8 зниж, tio-tn, Фіг 2), а потім переходить на резервну робочу величину (Те роб рез, tn, Фіг 2), яка 47746 забезпечує підтримання резервної робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу Таким чином одержаний пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах, який після виникнення аварійної ситуації в ланцюгу керування температурою нагріву нагрівача 8 не виходить із ладу, а продовжує працювати в режимі, коли температура нагрівача 8 підтримується не на допустимому рівні, а на рівні робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу В результаті підвищується надійність та ресурс роботи, підвищується точність вимірювання, суттєво знижуються потужність споживання та ймовірність швидкого перегорання нагрівача 8 Експериментальні дослідження підтвердили працездатність та позитивні якості запропонованого пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах Після штучного викликання аварійної ситуації в ланцюгу керування температурою нагріву нагрівача 8 надійно спрацював вузол формування резервованої номінальної величини температури нагріву твердоелектролітного чутливого елементу, і прилад продовжував працювати в нормальному режимі роботи ФІГ. 1 47746 Фіг. 2 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 10