ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на измерении электрического сопротивления полупроводникового датчика, и может быть использовано для анализа состава воздуха рабочей зоны.
Известен индивидуальный газовый дозиметр, включающий чувствительный элемент, системы обработки сигнала и индикации. Чувствительный элемент выполнен в виде многоканального датчика из параллельно подключенных полупроводниковых пленок, каждая с избирательной характеристикой под определенный тип газа, размещенных на одной стороне керамической подложки, включенных по дифференциальной измерительной схеме и питаемых от стабилизатора напряжения. Резистивный подогреватель расположен на другой стороне керамической подложки и питается от стабилизатора тока. Выход многоканального датчика подключен ко входу ячейки обработки сигнала, к которой последовательно подключена ячейка индикации (патент РФ №2137116, МПК 6 G01N 27/16, опубл. 1999.09.10).
Недостатком этого устройства является отсутствие компенсации влияния температуры окружающей среды на выходной сигнал полупроводникового датчика.
Наиболее близким, принятым за прототип, является газоанализатор, содержащий генератор электрических импульсов, подключенный к счетчику электрических импульсов, выход переноса которого соединен со входом S RS-триггера, выход которого подключен к первому выводу нагревателя полупроводникового датчика, а второй вывод нагревателя полупроводникового датчика соединен с резистором, второй вывод которого соединен с общим проводом, и компаратором, выход которого подключен ко входу R RS-триггера. Выходы счетчика электрических импульсов соединены с адресным входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика, а выход умножающего цифро-аналогового преобразователя соединен со входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к индикатору (Гусельников М.Э., Кротова Ю.В. Разработка полупроводникового газоанализатора// Безопасность жизнедеятельности, 2008 г., №1, с.50-52).
Недостатком этого газоанализатора является неполное устранение влияния изменений температуры окружающей среды на результаты измерений.
Задачей полезной модели является снижение погрешностей измерений, вызываемых изменением температуры окружающей среды.
Поставленная задача решена за счет того, что полупроводниковый газоанализатор, так же как в прототипе, содержит генератор электрических импульсов, подключенный к счетчику электрических импульсов, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства. Выход постоянного запоминающего устройства подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика. Выход умножающего цифро-аналогового преобразователя соединен со входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к индикатору.
Согласно полезной модели выход переноса счетчика электрических импульсов подключен ко входу нагревателя полупроводникового датчика, выход нагревателя подключен к общему проводу, а к корпусу полупроводникового датчика прикреплены нагревающий элемент и датчик температуры, которые подключены к схеме управления.
Рассмотрим тепловые потоки, возникающие при нагреве полупроводникового датчика. Начальную температуру чувствительного элемента полупроводникового датчика принимаем равной температуре окружающей среды:
ЧЭ
0
Т=Т при τ=0
ЧЭ
где Т - температура чувствительного элемента полупроводникового датчика, К.
0
Т - температура окружающей среды, К.
τ - время нагрева, с.
1
При подаче на чувствительный элемент полупроводникового датчика тепловой энергии мощностью Q его температура изменяется по закону:
где с - теплоемкость чувствительного элемента полупроводникового датчика, кал /(кг·К)
m - масса чувствительного элемента полупроводникового датчика, кг.
Изменение температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика при нагреве можно представить выражением:
ЧЭ
max
0
ΔТ=Т-T
mах
где Т - максимальная температура, до которой нагревается чувствительный элемент полупроводникового датчика, К.
Учитывая уравнение (1) можно записать выражение для температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика, которая изменятся при нагреве с течением времени:
Теплопередача за счет теплопроводности в полупроводниковом датчике осуществляется теплообменом между чувствительным элементом полупроводникового датчика и корпусом полупроводникового датчика, который можно описать уравнением:
где λ - коэффициент теплопроводности, кал /(с·м·К),
корп
Т - температура корпуса полупроводникового датчика, К.
Учитывая уравнение (3), уравнение (2) можно дополнить:
С поверхности корпуса полупроводникового датчика происходит отвод тепла в окружающую среду. Взаимодействие корпуса полупроводникового датчика и окружающей среды описывается законом конвекции, который можно представить выражением:
2
где α - коэффициент теплоперехода от корпуса полупроводникового датчика к окружающей среде, кал /(с·м·К).
Тогда выражение (4) можно дополнить:
В прототипе стабилизацию температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика осуществляют в момент достижения максимального значения температуры нагрева согласно уравнению (6). Так как период работы полупроводникового газоанализатора постоянен, то из уравнения (6) следует, что на процесс охлаждения чувствительного элемента полупроводникового датчика влияет изменение температуры окружающей среды. Например, чем выше температура окружающей среды, тем медленнее он будет остывать, и соответственно быстрее нагреваться до максимальной температуры в следующем периоде нагрева. В этом случае происходит снижение амплитуды колебаний температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика, что вызывает погрешности измерения. Для исключения возможности влияния изменения температуры окружающей среды на результат измерений предлагается осуществлять стабилизацию температуры корпуса полупроводникового датчика. При неизменной температуре корпуса полупроводникового датчика температура чувствительного элемента полупроводникового датчика описывается уравнением (4), из которого видно, что температура чувствительного элемента полупроводникового датчика не зависит от температуры окружающей среды.
Таким образом, предложенная конструкция полупроводникового газоанализатора позволяет снизить погрешности измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды.
На фиг.1 представлена схема полупроводникового газоанализатора.
Полупроводниковый газоанализатор содержит генератор электрических импульсов 1 (Г), подключенный к счетчику электрических импульсов 2 (СЭИ), выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ). Выход постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ) подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП), вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика 5 (ПД). Выход переноса счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) подключен ко входу нагревателя полупроводникового датчика 5 (ПД). Выход нагревателя полупроводникового датчика подключен к общему проводу. К корпусу полупроводникового датчика 5 (ПД) прикреплены нагревающий элемент 6 и датчик температуры 7, которые подключены к схеме управления 8 (СУ). Выход умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП) соединен со входом фильтра низкой частоты 9 (ФНЧ), выход которого подключен к индикатору 10 (И).
Генератор электрических импульсов 1 (Г) может быть собран, например, по схеме мультивибратора на микросхеме типа 1006ВИ1. В качестве счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) выбран двоичный счетчик электрических импульсов с выходом переноса, например, 8 - разрядный, выполненный на двух микросхемах типа К1533ИЕ7. Постоянное запоминающее устройство 3 (ПЗУ) представляет собой электрически программируемое ПЗУ, например, типа К573РР12, а умножающий цифро-аналоговый преобразователь 4 (ЦАП) - например, типа КР572ПА1А. В качестве полупроводникового датчика 5 (ПД) может быть использован любой полупроводниковый датчик, предназначенный для работы в импульсном режиме, в котором нагреватель и чувствительный элемент находятся на одной стороне подложки. В качестве схемы управления, например, может быть использована схема термостабилизации, описанная в прототипе. В качестве датчика температуры 7 может быть использован, например, терморезистор типа В57703 фирмы Epcos, а в качестве нагревающего элемента 6 - резистор типа серии LT030 фирмы Vishay. Фильтр низких частот 9 (ФНЧ) может быть выполнен, например, из интегрирующего усилителя на базе микросхемы К140УД74 и устройства выборки и хранения типа К1100СК2. Индикатор 10 (И) может быть стрелочным миллиамперметром либо цифровым, состоящим из АЦП и сегментных индикаторов любого типа.
Работой полупроводникового газоанализатора управляет генератор электрических импульсов 1 (Г), импульсы с которого поступают на счетчик электрических импульсов 2 (СЭИ), который подсчитывает их количество в виде кода и формирует последовательность двоичных кодов. При нулевом выходном коде счетчик электрических импульсов 2 (СЭИ) формирует импульс нагрева, который с выхода переноса счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) поступает на вход нагревателя полупроводникового датчика 5 (ПД). При изменениях температуры окружающей среды температура чувствительного элемента полупроводникового датчика 5 (ПД) изменяется, в результате чего появляются погрешности измерений. Схема управления 8 (СУ) формирует напряжение на нагревающем элементе 6 таким образом, чтобы выходной сигнал датчика температуры 7 был постоянным. Последовательность двоичных кодов с выхода счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) поступает на адресный вход постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ), в котором хранится предварительно записанная информация об анализируемых газах. С выхода постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ) эти коды поступают на вход умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП). Выходной сигнал умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП) пропорционален произведению входного кода на сигнал с выхода полупроводникового датчика 5 (ПД). Интегрирование полученного произведения осуществляется интегрирующим звеном - фильтром низкой частоты 9 (ФНЧ). Результат измерений, пропорциональный искомой концентрации определяемого компонента, выводится на индикатор 10 (И).
Таким образом, использование заявленного решения позволит повысить точность измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды.