Термокаталітичний датчик горючих газів

Реферат: Термокаталітичний датчик горючих газів містить вимірювальний і компенсаційний чутливі елементи, з'єднані в мостову вимірювальну схему і підключені до стабілізатора струму чутливих елементів, послідовно з'єднані підсилювач вихідного сигналу мостової вимірювальної схеми і компаратор формування аварійного сигналу, а також компаратор підтримки аварійного сигналу приєднаний до компенсаційного чутливого елемента. Додатково містить компаратор формування змінення уставки стабілізатора струму чутливих елементів, вхід якого з'єднано з виходом підсилювача сигналу мостової вимірювальної схеми, а вихід - зі входом стабілізатора струму чутливих елементів. UA 82005 U (54) ТЕРМОКАТАЛІТИЧНИЙ ДАТЧИК ГОРЮЧИХ ГАЗІВ UA 82005 U UA 82005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до газового аналізу і може бути застосована в газоаналізаторах горючих газів, що використовують термокаталітичний метод газового аналізу і, зокрема, у засобах шахтної метанометрії. Відомо, що сучасні термокаталітичні газоаналізатори та сигналізатори горючих газів мають діапазон вимірів чи сигнальних концентрацій, що дорівнює 100 % об'ємних часток. Така межа вимірів (сигнальних концентрацій) потребує застосування у конструкції газоаналізаторів та сигналізаторів спеціальних схемотехнічних засобів захисту вимірювального елементу термокаталітичного датчика від неприпустимого перегріву через екзотермічну реакцію окислювання горючих газів на його поверхні, що призводить до спікання каталізатора, його деградації та втрати чутливості, а також використовування компенсаційного елемента термокаталітичного датчика як термокондуктометричного датчика горючих газів, що має близьку до лінійної функцію перетворення в діапазоні об'ємних часток до 100 %, для забезпечення однозначності інформації, тому, що відомі термокаталітичні датчики є неоднозначними - 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 захисту вимірювального елементу термокаталітичного датчика від теплових перевантажень та забезпечення однозначності інформації розроблені різні конструкції сучасних термокаталітичних газоаналізаторів та сигналізаторів горючих газів. Наприклад, відомий термокаталітичний датчик, що містить вимірювальний та компенсаційний чутливі елементи, з'єднані у мостову вимірювальну схему, вхід живлення якої підключено до стабілізатора струму чутливих елементів, а вихід - до підсилювача сигналу мостової схеми (Патент UA №65162 C2, опубл. 15.03.2004, МПК G01N 25/22). В цей датчик введено пристрій шунтування вимірювального чутливого елемента, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача сигналу мостової схеми, а вихід - з вимірювальним чутливим елементом. Крім того, відомий датчик має компаратор підтримки аварійного сигналу, приєднаний до компенсаційного чутливого елемента, вихід якого підключено до виходу компаратора формування аварійного сигналу. Цей відомий термокаталітичний датчик є найбільш близьким аналогом. Хоча вказаний датчик-аналог і вирішує проблему теплового перевантаження каталізатора вимірювального чутливого елемента та забезпечення однозначності вихідного сигналу при будь-яких значеннях об'ємних часток горючих газів, все ж таки вимірювальна схема є надто складною і, зокрема, для виключення теплового перевантаження датчика на високих концентраціях потребує додаткового пристрою шунтування вимірювального елементу, який знижує струм, що протікає через нього при досягненні концентрацією горючого газу визначеного значення. В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий термокаталітичний датчик горючих газів, в якому вимірювальний чутливий елемент був би захищений від теплового перевантаження без застосування додаткових пристроїв шунтування. Поставлена задача вирішується тим, що в термокаталітичний датчик горючих газів, який містить вимірювальний і компенсаційний чутливі елементи, з'єднані в мостову вимірювальну схему і підключені до стабілізатора струму чутливих елементів, послідовно підключені підсилювач вихідного сигналу мостової вимірювальної схеми і компаратор формування аварійного сигналу, а також компаратор підтримки аварійного сигналу приєднаний до компенсаційного чутливого елемента, згідно з заявленою корисною моделлю, введено компаратор формування змінення уставки стабілізатора струму, вхід якого з'єднано з виходом підсилювача сигналу мостової вимірювальної схеми, а вихід - зі входом стабілізатора струму чутливих елементів. В такому термокаталітичному датчику вихідний сигнал з компаратора формування змінення уставки стабілізатора струму дозволяє оптимізувати регулювання рівнем струму, що протікає в чутливих елементах, і зокрема, зменшенням уставки стабілізатора струму при досягненні концентрацією горючого газу визначеного значення та відповідно зменшенням струму, що протікає через датчик, забезпечити захист вимірювального чутливого елементу датчика від теплового перевантаження. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де зображено функціональну схему запропонованого датчика. Термокаталітичний датчик, згідно з корисною моделлю, містить стабілізатор 1 струму, підсилювач 2, компаратор 3 формування аварійного сигналу, компаратор 4 підтримки аварійного сигналу, вимірювальний чутливий елемент 5 і компенсаційний чутливий елемент 6, які з'єднані в мостову вимірювальну схему 7, та компаратор 8 формування змінення уставки стабілізатору 1 струму. 1 UA 82005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Мостова вимірювальна схема 7 живиться від стабілізатора струму 1. її вихід з'єднано зі входом підсилювача 2, вихід якого, у свою чергу, з'єднано зі входами компаратора 3 та компаратора 8. Вхід компаратора 4 підтримки аварійного сигналу з'єднано з компенсаційним чутливим елементом 6. Виходи компараторів 3 і 4 підключені, зазвичай, до виконавчого пристрою аварійної сигналізації (на Фіг. 1 не показано). 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 3 формування аварійного сигналу не спрацьовує і не видає аварійний сигнал. Напруга на компенсаційному чутливому елементі б максимальна (горючий газ має теплопровідність більше ніж повітря). Компаратор 4 підтримки аварійного сигналу не спрацьовує і не видає аварійний сигнал. 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, на виході мостової вимірювальної схеми 7 з'являється напруга першого рівня, яка підсилюється підсилювачем 2 і надходить на вхід компаратора 3, компаратор 3 спрацьовує, і на його виході з'являється аварійний сигнал. При подальшому збільшенні концентрації горючого газу до значення С г на виході мостової вимірювальної схеми 7 з'являється напруга другого рівня, яка підсилюється підсилювачем 2 і надходить на вхід компаратора 8, компаратор 8 спрацьовує і зменшує уставку стабілізатору струму 1, відповідно, стабілізатор струму 1 зменшує струм через мостову вимірювальну схему 7 і подальший ріст сигналу на виході мостової вимірювальної схеми 7 при збільшенні концентрації горючого газу припиняється і теплове перевантаження на вимірювальний чутливий елемент 5 обмежується. Наступне збільшення концентрації горючого газу до значення С1, через зменшення кисню в аналізованому середовищі, приводить до зменшення напруги на виході мостової вимірювальної схеми 7, відповідно зменшується напруга на виході підсилювача 2 і поступає на вхід компаратора 8. Компаратор 8 починає підвищувати уставку стабілізатору 1 струму, стабілізатор 1 збільшує струм через мостову вимірювальну схему, напруга на виході мостової вимірювальної схеми 7 збільшується до значення напруги другого рівня, відповідно збільшується напруга на виході підсилювача 2. Напруга другого рівня більше напруги першого рівня і тому компаратор 3 продовжує формувати аварійний сигнал. При подальшому збільшенні концентрації горючого газу від С1 до С2 сигнал мостової вимірювальної схеми 7, через дефіцит кисню в аналізованому середовищі, знижується до значення першого порогу, відповідно знижується напруга на виході підсилювача 2. При цьому компаратор 3 формування аварійного сигналу відключається і перестає видавати аварійний сигнал. Але компаратор 4 підтримки аварійного сигналу продовжує видавати аварійний сигнал. Так як Сп менше Сг, то компаратор 4 включається раніш, ніж відключається компаратор 3. Таким чином, датчик видає аварійний сигнал в області концентрацій горючого газу від першого порогового значення Сп до 100 %. Функціональна схема датчика, яка представлена на Фіг. 1, може бути принципово 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 %, Сг = 3,0 %, С1=30 %, С2=65,0-90,0 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Термокаталітичний датчик горючих газів, який містить вимірювальний і компенсаційний чутливі елементи, з'єднані в мостову вимірювальну схему і підключені до стабілізатора струму чутливих елементів, послідовно з'єднані підсилювач вихідного сигналу мостової вимірювальної схеми і компаратор формування аварійного сигналу, а також компаратор підтримки аварійного сигналу, приєднаний до компенсаційного чутливого елемента, який відрізняється тим, що містить компаратор формування змінення уставки стабілізатора струму чутливих елементів, вхід якого 2 UA 82005 U з'єднано з виходом підсилювача сигналу мостової вимірювальної схеми, а вихід - зі входом стабілізатора струму чутливих елементів. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3