Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах

Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах, що 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 підсилювача, нагрівач, вузол вимірювання, сполучений з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елемента, а також блок живлення, який відрізняється тим, що блок живлення виконаний по схемі з безтрансформаторним входом і містить в собі перший додатковий вихідний канал, підключений до нагрівача, та другий додатковий вихідний канал з послідовно включеним стабілізатором постійної напруги, в загальний ланцюг якого включений вихідний ланцюг підсилювача, а паралельно його регулюючому елементу - вимірювальний елемент вузла зворотного зв'язку блока живлення 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, кл G01N 27/46, 1973) включає в себе твердоелектролітний чутливий елемент з електродами, 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 другому відомому пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах (див авт Св СРСР №636521, кл G01N 27/46, 1978), який складається з твердо-електролітного чутливого елементу з електродами та регулятора температури, значно зменшена похибка вимірювання і підвищена надійність роботи шляхом введення в регулятор температури мосту змінного струму, функцію однієї ланки якого виконує твердоелектролітний чутливій елемент - датчик температури Недоліками відо мого 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, KnG01N 27/46, 1983), який включає твердоелектролітний чутливій 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 нагрівач потужності нагріву Суттєвими недоліками пристрою є низька 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 характеристи ю ю 52152 ки пояснюються великим проміжком часу виходу пристрою на робочій режим З відомих пристроїв для вимірювання концентрації кисню в газах більш близьким за технічною суттю й прийнятим за прототип(див авт св СРСР №1259172, кп G01N 27/46 1985) є 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 підсилювача, нагрівам, вузол вимірювання, сполучений з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елементу, а також блок живлення Відомий пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах має більш високу точність вимірювання, оскільки в ньому зменшений вплив коливань напруги живлення на величину робочої температури датчика, підвищений ресурс роботи та поліпшені експлуатаційні характеристики за рахунок забезпечення необхідного трьохетапного режиму нагріву нагрівача Однак, суттєвими недоліками відомого пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах, які обмежують його застосування, є складність схемного та конструкторського виконання, складність проектування, виготовлення та налагодження, недостатньо висока точність вимірювання, підвищені вага та габарити, висока вартість Всі ЦІ недоліки пояснюються складним виконанням та малою ефективністю роботи терморегулятора, обмеженими його функціональними можливостями, наявністю додаткового блока живлення В основу винаходу поставлена задача створення пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах, в якому шляхом спрощення виконання терморегулятора, підвищення ефективності роботи та розширення його функціональних можливостей значно спрощені схемне та конструкторське виконання, проектування, виготовлення та налагодження, підвищена точність вимірювання, знижені вага і габарити Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої 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 підсилювача, нагрівач, вузол вимірювання, сполучений з металевими електродами твердоелектролітного чутливого елементу, а також блок живлення, останній виконаний по схемі з безтранеформаторним входом і містить в собі перший додатковий вихідний канал, підключений до нагрівача, та другий додатковий вихідний канал з послідовно включеним стабілізатором постійної напруги, в ланцюг загального виводу якого включений вихідний ланцюг підсилювача, а поміж його вхідним та вихідним виводами - вимірювальний елемент вузла зворотнього зв'язку блока живлення Блок живлення одночасно виконує декілька функцій забезпечує нагрів твердоелектролітного чутливого елементу до робочої температури, підтримує з високою точністю робочу температуру твердоелектролітного чутливого елементу на заданому рівні при коливаннях напруги мережі живлення та ЗМІНІ температури навколишнього середовища, а також забезпечує живлення електронних вузлів приладу На фіг 1 показана схема запропонованого пристрою для вимірювання концентрації кисню в газах, на фіг 2, фіг 3 - діаграми напруг та струмів в ланцюгах, 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, резистори 4,5,6 неврівноваженого мосту змінного струму, підсилювач 7, нагрівач 8, вузол 9 вимірювання та блок живлення, який складається з вхідного випрямляча 10, вхідного конденсатора 11, силового трансформатора 12 з колекторною 13, базовою 14 та вихідними 15,16,17,18 обмотками, перемикального транзистора 19, комутуючого транзистора 20, струмозадавально-го резистора 21, діода 22, конденсатора 23, резистора 24, обмежуючого резистора 25, запускального резистора 26, допоміжного випрямляча 27 з ємнісним фільтром 28, основних вихідних каналів 29,60, першого 31 та другого 32 додаткових вихідних каналів, стабілізатор 33 постійної напруги, а також вузол зворотнього зв'язку, виконаний на оптоелектронному приладі 34, який містить в собі СВІТЛОДІОД 35, та фототранзистор 36 Виводи діагоналі живлення неврівноваженого мосту змінного струму, ланки якого створені резисторами 4,5,6 та твердоелектролітним чутливим елементом 1 з електродами 2, з'єднані з вихідними виводами генератора 3 робочої частоти, виводи діагоналі вихідного сигналу - з вхідними виводами підсилювача 7 Вхід вузла 9 вимірювання підключений до металевих електродів 2 твердоелектролітного чутливого елементу 1 Вхідний випрямляч 10 призначений для випрямлення напруги мережі живлення і своїм виходом підключений до вхідного конденсатора 11, паралельно якому ввімкнений ланцюг, що складається з послідовно з'єднаних колекторної обмотки 13, переходу колектор-емітер перемикального транзистора 19 та струмозадавального резистора 21, причому колектор перемикального транзистора 19 з'єднаний з кінцем колекторної обмотки 13, емітер - з виводом струмозадавального резистора 21 Вивід початку базової обмотки 14 через ланцюг, який складається з послідовно з'єднаних діода 22, зашунтованого конденсатором 23, та резистора 24, підключений до бази перемикального транзистора 19 і колектора комутуючого транзистора 20 База комутуючого транзистора 20 черезобмежувальний резистор 25 з'єднана з емітером перемикального транзистора 19 Запускальний резистор 26 включений поміж початком колекторної обмотки 13 та загальною точкою діода 22 та резистора 24 Перший додатковий вихідний канал 31 підключений до виводів 52152 нагрівача 8, другий додатковий вихідний канал 32 одним виводом підключений до першого вихідного виводу підсилювача 7, а другим виводом з'єднаний з вхідним виводом стабілізатора 33 постійної напруги, загальний вивід якого підключений до другого вихідного виводу підсилювача 7 СВІТЛОДІод 35 оптоелектронного приладу 34 включений поміж вхідним та вихідним виводами стабілізатора 33 постійної напруги, колектор фототранзистора 36 оптоелектронного приладу 34 підключений до виходу допоміжного випрямляча, виконаного на ДІОДІ 27, який сполучений з початком базової обмотки 14, та на конденсаторі 28, який включений поміж катодом діода 27 та загальною шиною кінця базової обмотки 14, емітера комутуючого транзистора 20 та струмозадавального резистора 21, а емітер фототранзистора 36 з'єднаний з базою комутуючого транзистора 20 Основні ВИХІДНІ канали 29,60 призначені для живлення електронних елементів генератора 3 робочої частоти, підсилювача 7 та вузла 9 вимірювання Пристрій для вимірювання концентрації кисню в газах працює наступним чином Функцію регулювання температури твердоелектролітного чутливого елементу 1 виконує блок живлення з безтрансформаторним входом, виконаний згідно зі схемою однотактного зворотнього перетворювача Після підключення напруги мережі живлення иЖивл конденсатор 11 через вхідний випрямляч 10 заряджається до напруги, яка забезпечує живлення перетворювача та його нормальну роботу В цей момент перемикальний транзистор 19 відкривається базовим струмом, який протікає через запускальний резистор 26, і в подальшому входить в режим насичення під дією напруги базової обмотки 14, початок якої через ланцюг що складається з діода 22, конденсатора 23 та резистора 24 підключений до його бази, а кінець - через струмозадавальний резистор 21 - до його емітера При цьому струм в колекторній обмотці 13 зростає по лінійному закону, а в магнітному полі силового трансформатора 12 відбувається накопичення енергії Цей процес продовжується доти, доки зростаюча напруга на струмозадавальному резисторі 21 не досягне величини ІІЄб2о, достатньої для відкривання комутуючого транзистора 20 Відкриття комутуючого транзистора 20 призводить до закривання перемикального транзистора 19 та припинення протікання струму в колекторній обмотці 13 силового трансформатора 12 Після цього напруги на обмотках силового трансформатора 12 змінюють свою полярність, відкриваються випрямні діоди вихідних каналів 29,30,31,32, і енергія, накопичена в силовому трансформаторі 12, передається в кола навантажень вихідних каналів та одночасно забезпечує заряд конденсаторів вихідних каналів Коли силовий трансформатор 12 звільняється від накопиченої в його магнітному полі енергії, відкривається перемикальний транзистор 19, і весь процес повторюється Потужність та напруги вихідних каналів залежать від максимального значення струму колекторної обмотки 13 Шляхом відповідної зміни максимального струму колекторної обмотки 13 за допомогою ланцюга зворотнього зв'язку забезпечується поступовий нагрів нагрівача 8 та твердоелектролітного чутливого елементу 1 до робочої температури, а також підтримання робочої температури твердоелектролітного чутливого елементу 1 на заданому рівні при коливаннях напруги живлення та ЗМІНІ температури навколишнього середовища На фіг 2 приведено діаграми напруг на елементах та вузлах пристрою, які пояснюють процес нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1 Після включення приладу максимальна напруга розбалансу мосту (20-30)мВ, яка пропорційна електричному опору твердоелектролітного чутливого елементу 1 (Ri фіг 2), з діагоналі неврівноваженого мосту змінного струму надходить на вхід підсилювача 7 Величина електричного опору твердоелектролітного чутливого елементу 1 (Ri) обернено пропорційна температурі її нагріву (Ті фіг 2) Підсилений вихідний сигнал підсилювача 7 складає основну частину опорної напруги стабілізатора 33 постійної напруги, а падіння напруги на стабілізаторі 33 при цьому залежить від величини вихідного сигналу підсилювача 7, живить світлодюд 35 оптоелектронного приладу 34 вузла зворотнього зв'язку і цим визначає рівень сигналу зворотнього зв'язку, величину напруги живлення нагрівача 8 та температуру нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1 Вищевикладене характеризується наступними основними математичними формулами та виразами, які пояснюють роботу схеми, приведеної на фіг 1, в режимах нагріву твердоелектролітного чутливого елементу 1, фіг 2, та підтримання робочої температури нагріву, фіг З l,,-(U