ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Газоанализатор (ГА) предназначен для идентификации газов (взрывопожароопасных (ВПОВ) и опасных химических веществ (ОХВ)) и контроля их концентрации в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны в целях обеспечения безопасности. ГА используется при оснащении аварийных и спасательных бригад в зоне чрезвычайных ситуаций (аварий), на опасных химических объектах и энергетических предприятиях; службами коммунального хозяйства, Министерством по гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям; пожарными и экологическими подразделениями, службами геологоразведки и переработки газа и нефти. ГА может применяться в качестве прибора контроля газовых параметров воздушной атмосферы или в предусмотренных ситуациях совместно с устройством для включения системы защиты и предупреждения.
Принцип действия газоаналитических приборов основан на работе газочувствительных датчиков (сенсоров). В основном, в качестве таковых используются электрохимические (ЭХ), полупроводниковые (ПП), термокаталитические (ТК) и оптические (О). Электрохимические датчики позволяют селективно измерить ряд газообразных веществ, неселективно измеряемых полупроводниковыми датчиками, но они не могут измерять горючие газы. Полупроводниковый датчик представляет собой пассивный резистор, принцип действия которого основан на преобразовании химической энергии молекул газа, прореагировавших с атмосферным кислородом на поверхности газочувствительного элемента (ЧЭ) датчика, в энергию свободных электронов, изменении в результате этого его резистивных свойств и получении на выходе электрического сигнала, пропорционального значению проводимости чувствительного слоя.
В существующих газоаналитических приборах температура чувствительного элемента ПП датчика поддерживается, исходя из условия максимума чувствительности к детектируемому газу, например, оптимальные температуры: спирт - 200°С, Н2 - 180°С, СО - 95°С, пропан - 280°С, метан - 400°С. Так как измерение концентрации конкретного газа производится при постоянной температуре ЧЭ, характерной именно для этого газа, то для измерения концентрации разных видов газов (группы газов) применяются и разные ПП датчики с определенным рабочим диапазоном температур. ПП датчики имеют высокую чувствительность и предназначены для измерения многих газов. Полупроводники, в отличии от электрохимии долговечны и намного дешевле, поэтому имеют широкое распространение, несмотря на неселективность. В настоящее время известно большое число разновидностей ПП газовых датчиков на основе полупроводниковых материалов. Большинство из них изготовлено на основе простых или сложных оксидов металлов. При этом, требуемый диапазон рабочих температур чувствительного слоя таких датчиков находится в интервале 423-1173°К (150-900°С). Для
обеспечения необходимого диапазона температур, в качестве нагревательного элемента датчика используются устройства различного вида.
Известен датчик с термоэлектрическим охладителем в качестве устройства нагрева ЧЭ (см. «Полупроводниковый газовый датчик», RU, №8122 U1), который обеспечивает на газочувсвительном слое рабочую температуру до 100-120°С. Датчик такой конструкции не может использоваться для контроля целой группы газообразных веществ (например, метана), которые имеют оптимальные температуры чувствительности с верхней границей температурного диапазона до 500°С.
Известно портативное устройство для оперативного контроля и измерения содержания токсичных газов в выхлопе автомобиля - «Ручной газоанализатор токсичных газов в выхлопе автомобиля» (RU, №4379 U1), содержащий измерительный блок, состоящий из, по крайней мере, одного газового сенсора, электронную схему обработки сигнала, индикаторное устройство и источник питания. Под действием газа сенсор вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный концентрации контролируемого газа, а электронная схема обработки сигнала сравнивает его с заданным пороговым уровнем, соответствующим предельно разрешенному уровню концентрации газа, который задается регулятором уровня электронной схемы обработки сигнала в процессе калибровки устройства изготовителем. При превышении порогового уровня, выдается световой или звуковой сигнал.
К недостаткам данного прибора с постоянной температурой нагрева ЧЭ газового сенсора, которые устраняются в результате реализации заявленной полезной модели, относится невозможность селективного измерения концентрации нескольких газов одновременно, а также наличие большой погрешности прибора при измерении одного газа вследствие накладывания сигналов от других газов (перекрестной чувствительности).
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является «Газоанализатор» (RU, 2209419, С1), содержащий датчик газа, побудитель расхода газа, блок обработки и передачи информации, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, управляющим температурным режимом датчика, цифровой индикатор содержания газа, световую сигнализацию предельных концентраций, звуковой зуммер, панель управления с функциональными кнопками и блок питания.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве невозможно по полученному сигналу идентифицировать тип газа вследствие неселективности датчика.
В настоящее время выпускают большое количество приборов газового контроля, которые идентифицируют и определяют концентрации практически всех ВПОВ и ОХВ, но недостаточно селективно.
В этих приборах устанавливают один или несколько датчиков (сенсоров) различных типов, которые позволяют с высокой чувствительностью идентифицировать вещества, отличающиеся друг от друга по химическим свойствам. Например, на один из взрывоопасных газов - будь то метан, пропан, пары керосина - настроены приборы Titan, EX-METER II, (MSA AUER, Германия), на монооксид углерода - инфракрасный анализатор ИФАН-3 (НПО "Химавтоматика", Россия). Определение кислорода, сероводорода и монооксида углерода в одном приборе возможно с использованием газосигнализаторов Pulsar (MSA AUER). Присутствие 4-х и более ОХВ в воздухе можно обнаружить с помощью индивидуального фотоколориметрического газоанализатора ИФГ-М, переносного компьютерного газоанализатора "ГАЗОТЕСТ" (НПО "Химавтоматика"), приборов MINI WARN, MULTI WARN II. MicroPac PLUS (Drager Safety AG & Co. KgaA, Германия) и др. Газоанализатор "КОЛИОН-2В" (ООО "БАП "Хромдет-Экология") позволяет контролировать около 100 веществ, но за счет абсолютной неселективности.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в создании газоаналитического прибора, позволяющего с высокой точностью производить качественный и количественный анализ воздушной среды.
Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели, заключается в увеличении количества раздельно и одновременно контролируемых прибором газообразных веществ, а также увеличении достоверности измерения.
Указанный выше технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что микроконтроллер известного устройства позволяет циклически изменять и поддерживать температуру чувствительного слоя полупроводникового датчика путем изменения подаваемого на его нагреватель регулируемого напряжения и осуществлять непрерывное измерение проводимости чувствительного слоя датчика с последующей обработкой полученных данных, в результате которой получают значения концентраций каждого газа анализируемой газовой смеси.
Полученные в результате обработки данных значения концентраций каждого газа анализируемой газовой смеси могут быть выведены на экран дисплея.
Газоанализатор, как правило, дополнительно оснащен цифровым индикатором концентрации газа, световой и звуковой сигнализацией и панелью управления с функциональными кнопками.
В заявленной полезной модели реализовано устройство - микропроцессорный газоаналитический модуль, позволяющий циклически изменять температуру сенсора в измерительном цикле и проводить замеры в любой точке этого цикла. Принудительный
нагрев и охлаждение сенсора производится путем подачи на нагреватель датчика напряжения, пропорционального требуемой температуре сенсора, которая задается величиной переменного сопротивления в сравнительном плече моста в который включен нагреватель сенсора. Изменение температуры может производиться по любому заданному закону (импульс прямоугольный, синусоидальный, пилообразный).
Практически производится переключение системы стабилизации температуры с высокого уровня нагрева (450°С) на низкий (100°С), при этом чувствительный слой сенсора охлаждается и проходит все температурные оптимумы (температуры оптимальной чувствительности газов) газов. Следовательно, на кривой проводимости чувствительного слоя датчика, полученной при охлаждении, видны температурные максимумы каждого исследуемого вещества. Таким образом, концентрация нескольких газов в их смеси может измеряться одним полупроводниковым сенсором. Оптимальное количество используемых ПП датчиков в приборе - два - по количеству измеряемых групп газов (окислители и восстановители), которые надо детектировать разными по составу материала чувствительного слоя сенсорами.
Методика распознавания газообразных веществ основана на измерении релаксационных токов проводимости полупроводника с адсорбированными на нем газообразными веществами при его охлаждении. Поскольку энергия активации каждой газовой молекулы уникальна, то можно различить и идентифицировать разные молекулы, взаимодействующие с полупроводниковым чувствительным слоем датчика.
Процесс измерения происходит непрерывно в течение измерительного цикла (период времени, при котором происходит охлаждение) с разумной дискретностью (~1 кГц - частота измерения, позволяющая увидеть максимумы чувствительности, но не загружать оперативную память микропроцессора).
Переход от одной температуры на другую не мгновенный, а плавный из-за тепловой инерции сенсора, за счет чего можно сделать за этот переходный процесс достаточное количество замеров проводимости чувствительного слоя в точках, характерных для каждого газа. Так как разные газообразные вещества в зависимости от их физико-химических свойств (особенностей адсорбции и разложения на катализаторах ЧЭ) имеют разную энергию связи с поверхностью газочувствительного слоя, реакция (сигнал) сенсора на конкретный газ происходит при разной температуре. Максимальный сигнал - при оптимальной для конкретного газа температуре. То есть, в измерительном цикле при смене температуры ЧЭ от максимума до минимума получаем максимальные сигналы с сенсора на конкретный газ в момент достижения оптимальной для него температуры. Следовательно, поступающие сигналы от каждого газа разнесены во времени.
Данный способ измерения с пульсирующим нагревом ЧЭ применяется только для ПП датчиков, поскольку они неселективны и работают в широком диапазоне температур.
Данный подход к реализации электронных устройств управления и обработки данных для полупроводниковых газовых сенсоров, работающих в пульсирующем температурном режиме, позволяет повысить информативность отклика сенсора на воздействие газовой среды путем сканирования температурного режима и просмотра оптимальных температур газов по алгоритму проведения замеров с учетом физико-химической специфики конкретного газа.
Микроконтроллер микропроцессорного газоаналитического модуля позволяет:
- изменять температурный режим сенсора, что позволяет использовать сенсоры разных производителей и типов и выбирать для них специфические режимы;
- осуществлять циклы импульсного термосканирования по любому заданному закону, что дает возможность подобрать оптимальный режим нагрева и охлаждения и повысить разрешение термоспектрограммы;
- проводить замеры проводимости чувствительного элемента в любой точке цикла термосканирования с необходимой точностью и количеством.
Дополнительный технический результат заключается в снижении погрешности измерения концентрации примесей в анализируемом газе за счет применяемой методики обработки полученных результатов.
Обработка данных в известных ГА происходит только по постоянному сигналу, который переводится в концентрацию газа через переводной коэффициент.
Обработка данных в представленной полезной модели проводится на основе многофакторного анализа и матриц зависимости сигнала от всех примесей и представляет собой серию вычислений между значениями проводимости сенсора в конкретных точках максимальной температурной чувствительности. Методика обработки дает в результате точное значение концентрации каждого газа даже в их смеси.
Осуществление изобретения наглядно демонстрируется структурной схемой прибора, состоящей из блока питания, сенсоров, блока сигнализации и индикации (дисплей) и микропроцессорного аналитического модуля с микроконтроллером, который условно разбит по функциональному принципу на блок измерения проводимости, блок термостабилизации сенсора, блок обработки и передачи данных, блок преобразования сигнала и блок управления.
Измерительная камера, в которую поступает анализируемый газ, содержит по крайней мере один газочувствительный полупроводниковый сенсорный датчик.
Существуют два способа подачи анализируемого газа:
1 - диффузионный, через отверстия штуцеров или входные отверстия чувствительных элементов (сенсоров);
2 - принудительный (проточный), с помощью системы штуцеров и гибких газовых магистралей, шлангов, подключенных к внешнему побудителю расхода газов.
Второй способ используется при калибровке или измерении концентраций газов с пробоотборными устройствами.
Работа ГА основана на использовании одного или нескольких типов сенсорных датчиков. Электрохимические, термокаталитические и оптические датчики необходимы для уточнения наличия специфических токсичных газов и получения наиболее полного анализа.
Электрический сигнал с датчиков непрерывно поступает в микропроцессорный аналитический модуль, производящий преобразование сигнала, его обработку.
Блок обработки и передачи информации микропроцессора для преобразования аналоговых электрических сигналов, поступающих с ПП, электрохимических, оптических, термокаталитических датчиков в цифровой сигнал.
Обработка данных представляет собой серию вычислений между сигналами от сенсоров, в результате которых получают значения концентраций каждого газа.
Полученные результаты индицируются на цифровом дисплее и могут сохраняться в памяти прибора. Для сохранения информации о замерах в приборе предусмотрена энергонезависимая память.
Блок управления микропроцессора предназначен для измерения проводимости ЧЭ сенсора, измерения напряжения питания и контроля степени заряда батарей.
Блок термостабилизации микропроцессора предназначен для управления температурой сенсора путем подачи напряжения на нагреватель датчика.
Блок питания - осуществляет питание, всех блоков прибора.
Панель управления - клавиатура с функциональными кнопками управления работой
прибора Дисплей предназначен для индикации на экране результатов измерений.
Панель индикации включает индикаторы звуковой (сирена) и световой сигнализации (светодиоды).
Световая сигнализации срабатывают при достижении пороговых значений ПДК (предел допустимой концентрации) или НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени) и превышении динамического диапазона (максимальной концентрацией) ГА.
Акустическая сигнализация срабатывает при превышении достижении пороговых значений ПДК (по токсичным компонентам) или НКПР (по горючим компонентам) и превышении динамического диапазона ГА.
Сигналы на включение сигнализации поступают с микропроцессора, который имеет функции сравнения полученных с датчиков электрических сигналов с заложенными в его памяти предельными (пороговыми) значениями концентрации по каждому измеряемому компоненту.
Насос применяется для подачи газа на датчики, и может быть встроен в прибор или являться внешним устройством.
Частным примером осуществления полезной модели может служить нижеописанный газоанализатор «Д», предназначенный для измерения и оповещения об опасных концентрациях токсичных и горючих газов.
ГА «Д» - это современный интеллектуальный прибор с микропроцессорной обработкой сигналов. Принцип действия газоанализатора «Д» основан на использовании нескольких типов полупроводниковых, электрохимических, оптических, термокаталитических сенсоров.
Газоанализатор «Д» выполнен в виде автономного переносного прибора. Газоанализатор «Д» имеет три режима работы:
1 - режим индикатора
2 - режим качественного анализа воздуха по группам веществ (определяются виды газообразных примесей без точного количественного анализа);
3 - режим количественного селективного измерения концентрации контролируемого газообразного вещества. Измерение может производиться в двух режимах:
текущие измерения и осредненные измерения за 20 минут. Текущие измерения -вывод на экран значений мгновенных концентраций. Осредненные значения -вывод на экран среднего значения концентраций за 20 мин., рассчитываются по формуле: С ср. = СУММА Ci/i.
Питание газоанализатор «Д» осуществляется от внутреннего источника постоянного напряжения 6-7 В).
Зарядка газоанализатора «Д» осуществляется при подключении внешнего источника постоянного напряжения 11-14 В.
Подзарядка аккумуляторов осуществляется автоматически с индикацией на светодиоды и ЖК-индикатор от внешнего источника напряжения и требует лишь визуальный контроль со стороны пользователя.
При эксплуатации газоанализатор «Д» должен подвергаться систематическому внешнему и периодическим профилактическим осмотрам, а также поверкам. Поверка проводится с периодичностью 1 год с целью выполнения внешнего осмотра, проверки работоспособности и определения погрешности.
Технические характеристики прибора:
Газоанализатор «Д» может одновременно измерять в воздушной атмосфере концентрацию от 1 до 4х газов и паров из перечня в зависимости от модификации.
Контролируемые газы и диапазоны измерения концентраций приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Диапазон измерения:
Значения параметра
метан (СН<sub>4</sub>);
0-5% об
предельные углеводороды (СхНу) - от этана (С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>)
0-4% об
до гексана (С<sub>6</sub>Н<sub>14</sub>);
(до 100% НКПР)
непредельные и ароматические углеводороды
0-2% об
(бензол, толуол, ксилол);
(до 100% НКПР)
сложные эфиры (этилацетат, бутилацетат);
0-2000 мг/м3
пары спирта (метанол, этанол)
0-1500 мг/м3
водород (Н<sub>2</sub>)
0-4% об
оксид (моноксид) углерода (СО)
0-500 мг/м3
кислород (O<sub>2</sub>)
0-30% об
аммиак (NН<sub>3</sub>)
0-1500 мг/м3
двуокись азота (NO<sub>2</sub>)
0-30 мг/м3
двуокись серы (SO<sub>2</sub>)
0-30 мг/м3
сероводород (H<sub>2</sub>S)
0-30 мг/м3
хлор (Сl<sub>2</sub>)
0-30 мг/м3
формальдегид (Н<sub>2</sub>СО)
0-10 мг/м3
Относительная погрешность, %
20
Вид сигнализации
Световая, звуковая
Время срабатывания сигнализации, с
20 (120)
Время непрерывной работы в автономном режиме не менее, час
10
Среднее время жизни сенсоров, мес.
От 3-х до 10 лет
Нежелательные газы (мешающие компоненты)
Кремнийорганические соединения, H<sub>2</sub>S, пары кислот и щелочей.
Рабочий диапазон температур, °С
-40 - +50°С
Рабочий диапазон влажности, %
10-98%
Измеряемые физические величины: концентрация газа в мг/м3, или % об долей, или ррm.
Диапазоны измерения и пороги срабатывания представлены в Таблицах 2, 3:
Таблица 2
Контролируемый газ
Диапазон измерения
Стандартные пороги сигнализации
Водород (Н<sub>2</sub>)
0-1%
1%, 0,5%
Кислород (O<sub>2</sub>)
0-30%
18%,23%
Спирт этиловый
17 г/м3
1 г/м 10 г/м<sup>3</sup>
Спирт метиловый
17 г/м3
1 мг/м<sup>3</sup>, 10 мг/м<sup>3</sup>
Угарный газ (СО)
0-300 мг/ м<sup>3</sup>
20 мг/м<sup>3</sup> 100 мг/м<sup>3</sup>
Аммиак (NН<sub>3</sub>)
0-1500 мг/м<sup>3</sup>
20 мг/м<sup>3</sup>, 60 мг/м<sup>3</sup>
Метан (СН<sub>4</sub>)
0-4%
1%, 0,5%
Пропан (С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>)
0-2%
0,5%, 0,25%
Двуокись серы (SO<sub>2</sub>)
0-500 мг/м<sup>3</sup>
10 мг/м<sup>3</sup>
Двуокись азота (NO<sub>2</sub>)
0-300 мг/м<sup>3</sup>
5 мг/м<sup>3</sup>
Таблица 3
Относительная погрешность, %
20
Вид сигнализации
Световая, звуковая
Время срабатывания сигнализации, с
20 (120)
Время непрерывной работы в автономном режиме не менее, час
10
Среднее время жизни сенсоров, мес. полупроводниковых электрохимического, лет
3610
Нежелательные газы (мешающие компоненты)
Кремнийорганические соединения, H<sub>2</sub>S, пары кислот и щелочей.
Рабочий диапазон температур, °С
-20 - +50°С
Рабочий диапазон влажности, %
10-98%
Для решения конкретно поставленной задачи допускается применение в ГА датчиков на другие компоненты. Конструктивно ГА представляет собой законченный многофункциональный прибор со средствами отбора пробы воздуха, обработки данных и записи результатов измерения в память прибора.