ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к средствам контроля газовых смесей и может быть использовано в составе газоанализаторов водорода, кислорода, окиси углерода и других газов. Указанные газоанализаторы находят широкое применение для контроля атмосферы производственных цехов промышленных предприятий, химических производств, атомных электростанций (АЭС). У большинства типов газоанализаторов, датчики содержат обогреваемые камеры, в которых размещаются чувствительные элементы (сенсоры) изменяющие свои характеристики под действием анализируемого газа.
Работу упомянутых газоанализаторов рассмотрим на примере газоанализатора водорода. В известных газоанализаторах, например на основе палладия и его сплавов, характеристики чувствительного элемента изменяются не только от воздействия водорода, но и от температуры в рабочей камере, поэтому принимаются меры к уменьшению температурного влияния. Например, в устройстве по а.с. №568881 для уменьшения температурного влияния в одной камере с чувствительным элементом из сплава палладия с серебром размещается компенсационный элемент, нечувствительный к водороду, но имеющий близкий к чувствительному элементу температурный коэффициент электросопротивления (ТКС). Недостатком этого устройства является невозможность подобрать идеальный компенсационный элемент, ТКС известных проводников не постоянны по величине в диапазоне температур и нестабильны по времени. Кроме того, для компенсационного элемента требуется дополнительный узел питания, дополнительное количество подводящих проводов, не удается подобрать химический состав материала, полностью нечувствительный к водороду.
Наиболее близким по устройству и работе к предлагаемому изобретению является газоанализатор водорода с чувствительным элементом на основе палладиевых пленок нанесенных на изоляционную подложку и помещенным в камеру с регулируемой температурой (1).
Недостатком указанного устройства является невысокая точность поддержания температуры, т.к. в нем заложен принцип регулирования, предполагающий отклонение действительной температуры от заданной, разница этих температур управляет мощностью нагревателя камеры, т.е. для регулирования используется пропорциональный регулятор (П-регулятор). При воздействии переменных внешних факторов - температуры окружающей среды, расхода анализируемого газа, напряжения сети и др. потребуется переменное регулирующее воздействие, т.е. исходная разница температур будет изменяться за счет изменений действительной температуры. Для оценки необходимой точности поддержания температуры необходимо учитывать, что температурный
коэффициент электросопротивления палладия составляет 0,38% на 1°С, а его чувствительность, т.е. прирост сопротивления под воздействием водорода в среднем 0,2% на 1% объемной концентрации водорода в газовой смеси. Таким образом, для измерения концентрации водорода с погрешностью, например, 0,1% водорода в смеси точность поддержания температуры в камере должна быть не хуже 0,05°С, что для П-регулятора недостижимо в силу принципа его действия Тем более недостижима такая точность для позиционного регулирования, когда нагреватель включается и выключается соответственно при снижении и превышении заданной температуры. Примеры работы рассмотренных систем регулирования приведены в (2). Отклонение действительной величины регулируемого параметра от заданной, необходимое для включения регулятора называется ошибкой регулирования. Аналогичные требования предъявляются к температурным условиям работы сенсоров газоанализаторов кислорода, окиси углерода и других газов. В качестве параметров сенсоров, изменяющихся под воздействием анализируемого газа, могут использоваться сопротивление, емкость, индуктивность, оптические свойства или комбинации этих параметров,
Целью предлагаемого технического решения является уменьшение погрешности измерения концентрации анализируемого газа за счет увеличения точности стабилизации температуры в рабочей камере, которая, в свою очередь, реализуется при использовании для поддержания температуры в камере регуляторов, не имеющих ошибки регулирования.
Поставленная цель достигается тем, что в газоанализатор, содержащий чувствительный элемент, помещенный в обогреваемую камеру, введен регулятор температуры камеры с интегральной составляющей в законе регулирования. В системах автоматического регулирования к таким типам регуляторов относятся И, ПИ и ПИД регуляторы, реализирующие, соответственно интегральный, пропорционально - интегральный или пропорционально - интегрально - дифференциальный законы регулирования. В таких регуляторах ошибка регулирования, усредненная на достаточном временном интервале, равна нулю. При отклонении действительной температуры от заданной даже на тысячные доли градуса, это отклонение, проинтегрированное во времени, достигнет величины, достаточной для включения в работу системы автоматического управления температурой и возврата ее к заданному значению.
Работа предложенного устройства поясняется схемой автоматического регулирования температуры рабочей камеры газоанализатора, приведенной на фиг 1. На рисунке показан пример реализации ПИ регулятора.
Датчик газоанализатора состоит из корпуса 1 с рабочей камерой 2, в которой закреплен чувствительный элемент 3, соединенный с измерителем сопротивления 7, на входе датчика установлен подогреватель 4 анализируемого газа, а на выходе - тепловой экран 5. Газ поступает в камеру 2 и отводится из нее через каналы 6 внутри подогревателя 4 и экрана 5. Подогреватель 4 и
тепловой экран 5 служат для получения равномерного температурного поля внутри рабочей камеры 2. Необходимая температура в камере 2 создается за счет нагревателя 8 и системы автоматического регулирования температуры, состоящую из термопары 9, задатчика температуры 10, усилителя 11, интегратора 12, сумматора 13, формирователя импульсов 14, тиристорного регулятора 15 и трансформатора 16.
Работа системы автоматического регулирования температуры происходит следующим образом. Термопара 9 измеряет действительную температуру рабочей камеры 2. ЭДС термопары 9 сравнивается с напряжением задатчика температуры 10, разностный сигнал поступает на усилитель 11, на входе которого формируется напряжение, пропорциональное разности действительного и заданного значений температуры, т.е. П-составляющая закона регулирования. Коэффициент усиления усилителя 11 определяется отношением сопротивлений R1 и R2. Напряжение с выхода усилителя 11 поступает на интегратор 12, формирующий И-составляющую закона регулирования. Постоянная времени интегрирования интегратора 12 определяется произведением сопротивления резистора R и емкости С. Далее сигналы усилителя 11 и интегратора 12 поступают на сумматор 13, на выходе которого формируется напряжение, содержащее пропорциональную и интегральную составляющие регулирующего воздействия. Это напряжение подается на исполнительный элемент системы регулирования, состоящий, например, из формирователя управляющих импульсов 14 и тиристорного регулятора 15, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора 16 последовательно с нагревателем 8.
Если действительная температура в камере 2, измеряемая термопарой 9 отличается от заданной, установленной задатчиком 10, то сигнал ошибки, проходя через усилитель 11, интегратор 12, сумматор 13, формирователь 14 преобразуется в последовательность импульсов частоты питающей сети, положение фронта импульсов зависит от выходного напряжения сумматора 13. В момент формирования фронта импульса происходит открытие тиристоров в блоке 15 и на нагреватель 8 от трансформатора 16 поступает напряжение. Чем больше уменьшение температуры по сравнению с заданной и чем дольше сохраняется это уменьшение, тем большим будет напряжение на выходе сумматора 13 и раньше будут открываться тиристоры регулятора 15, соответственно большей будет мощность, выделяемая нагревателем 8, что приведет к росту температуры. К моменту, когда действительная и заданная температуры сравняются, на выходе усилителя 11, формирующего П-составляющую закона регулирования, будет нулевое напряжение, но на выходе интегратора 12 будет оставаться напряжение, пропорциональное предшествующему сигналу ошибки регулирования и его продолжительности. Соответствующий сигнал сохраниться на выходе сумматора 14, и тиристорный регулятор 15 будет обеспечивать некоторую мощность нагревателя 8. После окончания переходного процесса регулирования температура в камере 2 примет точно заданное значение, т.е. ошибка регулирования будет равной
нулю, при этом на выходе интегратора будет сохраняться напряжение, необходимое для обеспечения регулятором 15 как раз такой мощности на нагревателе 8, которая необходима для получения заданной температуры в камере 2, При воздействии на датчик возмущающих факторов, например, при изменении температуры газа, поступающего на анализ, температура в камере 2 начнет отклоняться от заданной, но система авторегулирования после завершения переходного процесса возвратит температуру в камере 2 к прежнему значению, при этом напряжение на выходе интегратора 12 и сумматора 13 изменится таким образом, чтобы регулятор 15 обеспечивал мощность нагревателя, соответствующую новому тепловому балансу датчика.
Аналогично рассмотренной системе регулирования температуры с ПИ-регулятором будут работать системы с И-регулятором и ПИД-регулятором, обеспечивая отсутствие ошибки регулирования. Разница будет в качестве переходных процессов, т.е. времени стабилизации температуры и амплитуде ее колебаний во время переходного процесса. В случае с ПИД регулятором качество процесса регулирования будет наилучшим.
Реализация И, ПИ, ПИД регуляторов может осуществляться как аналоговыми устройствами, пример которого приведен на фиг.1, так и устройствами на основе микроЭВМ микроконтроллерами, где необходимый закон регулирования задается при программировании контроллера.
Использование предлагаемого технического решения обеспечит достижение высоких метрологических характеристик газоанализатора, в том числе при работе в промышленных условиях эксплуатации с нестабильными климатическими параметрами окружающей среды, колебаниями напряжения питающей сети, переменным составом окружающей атмосферы и другими помехами.