Способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком
METHOD OF MEASURING GAS CONCENTRATION BY A CATALYTIC SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газоанализаторах горючих газов.
Для детектирования горючих газов в настоящее время активно применяются каталитические датчики, имеющие высокое быстродействие, длительный срок службы и низкую стоимость. Каталитические газочувствительные датчики обычно содержат два элемента – чувствительный (активный) и компенсационный (пассивный), заключённые в корпус с газопроницаемой мембраной. Элементы представляют собой нагреватели и, одновременно, термометры сопротивления (например, платиновые), заключённые в керамические капсулы. Капсула активного элемента покрыта каталитическим слоем (платина и другие). Элементы подогреваются током внешнего источника до температуры, при которой на поверхности чувствительного элемента может происходить каталитическое окисление горючих газов. Типовое включение датчика – мостовая схема (фиг.1) [Дрейзин В.Э. Моделирование каталитического датчика водорода / В. Э. Дрейзин, Е.О. Брежнева, О. Г. Бондарь // Известия ЮЗГУ. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76].
В отсутствие горючих газов температура элементов одинакова, а мост сбалансирован. Появление в газовой смеси горючих газов (аналитов -  ГОСТ Р 52361-2005) в присутствии кислорода приводит к окислительным процессам на поверхности чувствительного элемента и возрастанию его температуры. В идеальном случае каталитическая реакция на опорном элементе не происходит, а его назначение – компенсация влияния параметров окружающей среды. Сопротивление чувствительного элемента растёт, мост разбалансируется и на его измерительной диагонали появляется напряжение ΔU.
Однако в реальных преобразователях элементы влияют друг на друга из-за взаимного подогрева, что снижает чувствительность датчика. Различие температурных коэффициентов сопротивления нагревателей, функционирующих при разных температурах, приводит к неполной компенсации влияния температуры окружающей среды. Велика нелинейность характеристики из-за нелинейности мостовой схемы, изменения температурного коэффициента сопротивления нагревателей, выполняющих кроме подогрева функции термометров сопротивления, и скорости протекания реакции горения при изменении температуры (фиг. 2). При больших концентрациях аналита температура чувствительного элемента существенно возрастает по сравнению с температурой в его отсутствии, что способствует загрязнению поверхности капсулы продуктами сгорания примесей, содержащихся в воздухе, её растрескиванию, потери чувствительности и сокращению срока службы датчика. Кроме того, существует вероятность «горения датчика» при высоких концентрациях аналита, проявляющаяся в саморазогреве даже при снятии напряжения питания и приводящая к спеканию датчика и его отказу.
Известен способ ослабления этих эффектов, особенность которого состоит в поддержании постоянной температуры чувствительного элемента. При попадании аналита на чувствительный элемент растёт его температура, а, следовательно, и сопротивление нагревателя. Цепь обратной связи отслеживает изменение падения напряжения на нагревателе и уменьшает мощность, подаваемую на датчик, тем самым стабилизируя его температуру. Данный режим позволяет линеаризовать выходную характеристику датчика, исключить выгорание, и спекание катализатора, и тем самым увеличить срок службы.
Известна реализация изотермического режима, осуществленная с использованием аналоговой схемотехники [Manginell, R. P. Moreno Electro-thermal modeling of a microbridge gas sensor / R. P. Manginell, J. H. Smith, A. J. Ricco, R. C. Hughes, D. J. Moreno // Sandia National Laboratories, Albuguergue, NM87185-1080. - 1997. - Р. 360-371]. В источнике приведена схема аналогового устройства, обеспечивающего изотермический режим, и содержащего: усилитель токового канала, дифференциальный усилитель, формирующий сигнал пропорциональный напряжению на чувствительном элементе, аналоговый делитель с выходным сигналом, пропорциональным сопротивлению элемента, и цепь обратной связи с усилителем и регулирующим элементом. Однако реализация на аналоговой элементной базе весьма громоздка, а аналоговый делитель имеет низкую точность. Изменение температуры окружающей среды, изменяет мощность, подводимую к чувствительному элементу и снижает точность измерений.
ИМП
ПАУЗА
Наиболее близким решением является способ и устройство стабилизации параметров нагревателя чувствительного элемента датчика (далее нагревателя), который принят за прототип [Патент РФ №2304278, G01N27/12 «Способ стабилизации параметров микронагревателя измерительного элемента газового датчика и устройство для его осуществления», 10.08.2007, Бюл. № 22]. Способ стабилизации параметров заключается в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до рабочей температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют один из параметров нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора сигнал, пропорциональный величине этого параметра, при этом нагревают нагреватель чувствительного элемента, выполненный в виде термометра сопротивления с каталитическим слоем, импульсами тока стабилизированной амплитуды, в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную сопротивлению нагревателя, и стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к длительности паузы Т/Т в сигнале управления, подаваемом с выхода ШИМ генератора.
Таким образом, электрически поддерживается величина активного сопротивления нагревателя, который одновременно является термометром сопротивления. Поскольку температура термометра сопротивления однозначно связана с его сопротивлением, то поддержание сопротивления автоматически означает поддержание его температуры. Величина сигнала, пропорционального сопротивлению нагревателя, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе с помощью, например, амплитудного детектора.
Одновременно, из той же последовательности выделяется сигнал, пропорциональный электрической мощности, выделившейся на нагревателе.
При отсутствии аналита чувствительный элемент датчика, находится в тепловом равновесии с постоянно обновляющимся газовым окружением. Это равновесие характеризуется подводом вполне определенного количества электрической энергии.
Сигнал, пропорциональный этому количеству электрической энергии, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе чувствительного элемента датчика соответствующим блоком в виде среднего действующего значения напряжения.
При появлении аналита, на каталитическом слое начинает выделяться дополнительная тепловая энергия, связанная с происходящими здесь химическими превращениями. При этом для поддержания установленной температуры требуется подвод меньшего количества электроэнергии.
В случае применения датчика термокаталитического типа, именно это уменьшение в потреблении электроэнергии, компенсируемое подводом дополнительного тепла от термокаталитической реакции, и является требуемым результатом, который выделяется в блоке выделения сигнала, пропорционального электрической мощности, и передается в блок отображения информации, шкала которого в этом случае тарируется в единицах концентрации аналита.
Недостатком данного решения является влияние температуры окружающей среды на результат измерения. При изменении температуры окружающей среды будет изменяться электрическая мощность, подводимая к нагревателю чувствительного элемента датчика, что будет приводить к изменению выходных показаний датчика при отсутствии изменения концентрации аналита. Кроме того, имеется источник погрешности, связанный с выделением из последовательности прямоугольных импульсов действующего значения напряжения, преобразованием его в значение мощности рассеиваемой нагревателем датчика и определением её приращения за счёт термокаталитической реакции.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешностей, связанных с колебаниями температуры окружающей среды и определением приращения мощности, за счёт термокаталитической реакции, с которым связана измеряемая концентрация газа.
ИМП
ПЕРИОДА
Для достижения указанного результата предложен способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком, заключающийся в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до заданной температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют температуру нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную его сопротивлению зависящему от температуры, при этом нагревают нагреватель импульсами тока источника стабильного напряжения, протекающими через нагреватель и последовательно включённый опорный резистор,  в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, при этом стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к периоду Т/Т (коэффициент заполнения) в сигнале управления, подаваемом с выхода программно управляемого ШИМ генератора, запоминая значение коэффициента заполнения, при этом коэффициент заполнения определяется для двух значений температуры – рабочей, при которой протекает каталитическая реакция и пониженной, при которой реакция не протекает, а значение длительности импульса используется для компенсации погрешности от изменении температуры окружающей среды, при этом информативным параметром пропорциональным мощности выделяемой при каталитической реакции и, следовательно, концентрации аналита является  разность длительностей импульсов сигнала управления при рабочей температуре нагревателя и пониженной температуре нагревателя умноженной на поправочный коэффициент, определяемый расчётным способом как произведение амплитуд напряжений на нагревателе и опорном резисторе в режиме компенсации, делённое на произведение этих же напряжений в рабочем режиме, скомпенсированная вычитанием значения такой же разности, но полученной в отсутствие аналита, при однократной калибровке.
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – Мостовая схема включения каталитического датчика; фиг. 2 – Нелинейность характеристик преобразования 10 датчиков водорода NP-AHS производителя NEMOTO; фиг. 3 – Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ
Рассмотрим способ измерения детальнее.
Уравнение теплового баланса для рабочего и компенсационного режима работы чувствительного элемента датчика:
(1)
(2)
A
K
Х
A
К
А
А
К
К
А
К
С
Т
где P, P – электрические мощности, выделяющиеся на чувствительном элементе датчика в активном режиме (при рабочей температуре) и компенсационном режиме (при пониженной температуре) соответственно, P – дополнительная мощность, выделяющаяся на чувствительном элементе датчика за счёт химической реакции каталитического окислении аналита, R, R – сопротивления чувствительного элемента датчика в активном режиме и компенсационном режимах, соответственно,  U, I, U, I – напряжения и токи, чувствительного элемента датчика в активном и компенсационном режимах соответственно, T, T, Т – температура чувствительного элемента датчика в активном и компенсационном режиме и температура окружающей среды, соответственно,  δ – коэффициент теплоотдачи чувствительного элемента датчика.
X
Вычитая из (1) (2) и решая относительно P, получим:
(3)
X
A0Т
При отсутствии аналита P= 0, а электрическая мощность, выделяемая на чувствительном элементе датчика в активном режиме равна P. При этом:
(4)
A0T
KT
где P, P – мощности, выделяемые на чувствительном элементе датчика в активном режиме при отсутствии аналита и компенсационном режиме при температуре окружающей среды Т, в общем случае не равном температуре окружающей среды в рабочих условиях.
А
К
Следует отметить, что абсолютные значения мощностей изменяются при изменении температуры окружающей среды, а их разность остаётся константой при поддержании фиксированной разности температур Т-Т.
С учётом (4) уравнение (3) преобразуется к виду:
(5)
З
Среднее значение мощности, выделяющейся при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) равно мгновенной мощности умноженной на коэффициент заполнения К, равный отношению длительности импульса к периоду ШИМ.
Мгновенные мощности, выделяющиеся при протекании тока через нагреватель в активном и компенсационном режимах определяются через мгновенные значения напряжений и токов нагревателя:
,
(6)
AM
KM
AM
KM
где U, U, I, I – амплитуды напряжений и токов в активном и компенсационном режимах, соответственно.
Амплитудное значение тока нагревателя чувствительного элемента можно определить по падению напряжения на опорном резисторе, включённом последовательно с ним, и тогда мгновенная мощность:
(7)
0AM
0KM
0
где U, U – амплитуды падения напряжения на опорном резисторе при в активном и компенсационном режимах, соответственно, R – величина сопротивления опорного резистора.
При этом амплитуда падения напряжения на опорном резисторе определяется вычитанием амплитуды падения напряжений на нагревателе из напряжения источника стабильного напряжения в рабочем режиме и режиме компенсации. Так как параметры нагревателя стабилизируются, то мгновенные значения напряжений, токов и электрических мощностей в установившихся режимах являются константами независящими от температуры окружающей среды и концентрации аналита, а средние значения мощностей будут определяться коэффициентами заполнения широтно-модулированных импульсов и зависят от перечисленных факторов.
Выражение (5) для среднего значения мощности за период ШИМ преобразуется к виду:
(8)
ЗА
ЗК
ЗАОТ
ЗКТ
где k, k, k, k – коэффициенты заполнения ШИМ для активного и компенсационного режимов в присутствии и при отсутствии аналита и температуре Т среды в момент калибровки, соответственно.
С учётом (7), получим:
(9)
В этом выражении:
O
- константы, определяемые величинами рабочей температуры и температуры в режиме компенсации. От выбора сопротивления опорного резистора R, этих температур и величины напряжения источника питания ШИМ генератора зависят входящие в них напряжения. Следует отметить, что выбор температуры режима компенсации может быть приблизительным, а поэтому можно выбирать величину стабилизируемого сопротивления нагревателя примерно обеспечивающую эту температуру.
X
Концентрация аналита C пропорциональна мощности выделяющейся на чувствительном элемент датчика и определяется как:
(10)
1
где K – коэффициент пропорциональности, включающий в себя и K и определяемый при калибровке.
Из выражения (10) видно, что температура среды не влияет на результат измерения. При применении программно управляемого ШИМ генератора (на основе, например, таймеров, встроенных в микроконтроллеры), коэффициент заполнения в установившемся режиме является известной величиной и непосредственно определяет электрическую мощность, выделяющуюся на нагревателе чувствительного элемента. Поэтому никаких измерений электрической мощности нагревателя, ухудшающих точность измерения проводить не надо.
На фиг. 3 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство состоит из нагревателя 1 чувствительного элемента датчика, являющимся одновременно термометром сопротивления, заключённым в капсулу, покрытую катализатором; источника стабильного напряжения 2; ключа 3, формирующего импульсы стабильной амплитуды на последовательно соединённых опорном резисторе 4 и чувствительном элементе датчика 1; микроконтроллера 5; устройства индикации 6.
Выходы источника стабильного напряжения 2 подключены к последовательно соединённым нагревателю 1, опорному резистору 4 и ключу 3, а также к входам питания микроконтроллера 5; управляющий вход ключа 3 подключен к выходу 1 микроконтроллера 5, являющимся выходом ШИМ генератора реализованном на встроенном программно управляемом таймере;   с точки соединения нагревателя 1 и опорного резистора 4 напряжение подаётся на вход 3 микроконтроллера 5, являющийся входом встроенного аналого-цифрового преобразователя; выход 2 микроконтроллера 5 присоединен к устройству индикации 6.
Устройство работает следующим образом.
Широтно-модулированные импульсы с выхода 1 микроконтроллера 5 поступают на управляющий вход ключа 3, представляющего собой полевой транзистор с изолированным затвором и низким сопротивлением открытого канала (менее 30 мОм в реализации). Импульсы напряжения с источника стабильного напряжения 2 через ключ 3 поступают на последовательно соединённые опорный резистор 4 и нагреватель 1 чувствительного элемента датчика.
В активном режиме в момент открытия ключа 3 амплитуда падения напряжения на нагревателе 1 преобразуется в цифровой код и сравнивается с расчётным значением, соответствующем рабочей температуре чувствительного элемента при которой идёт термокаталитическая реакция. При отклонении от расчётного значения программно изменяется длительность импульсов ШИМ в следующем периоде и, следовательно, среднее значение за период ШИМ мощности подогрева. В установившемся режиме температура чувствительного элемента остаётся стабильной. Коэффициент заполнения сохраняется в качестве параметра, несущего информацию о мощности выделяемой на чувствительном элементе датчика.
В компенсационном режиме сравнение амплитуды импульса напряжения на нагревателе чувствительного элемента датчика осуществляется с расчётным значением соответствующем температуре чувствительного элемента при которой термокаталитическая реакция не идёт. При этом изменением длительности импульса ШИМ стабилизируется температура чувствительного элемента, соответствующая компенсационном режиму. Коэффициент заполнения также сохраняется, а чувствительный элемент переводится в активный режим.
Концентрация аналита вычисляется в соответствии с выражением (10), в которой коэффициент К2 определяется однократным вычислением и сохраняется в памяти микроконтроллера 5, как константа устройства, а коэффициент К определяется при калибровке устройства (обычно при концентрации аналита, соответствующей ½ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР) и также сохраняется в памяти микроконтроллера 4.