СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГАЗОВОГО СЕНСОРА
METHOD OF DETERMINING GAS SENSOR WORKING CAPACITY

Изобретение относится к области исследования и анализа газов при помощи полупроводниковых газовых сенсоров и направлено на решение задачи определения их работоспособности.
При проведении измерений с помощью полупроводникового газоанализатора первостепенным является вопрос достоверности сигнала на выходе прибора, поскольку простое наличие сигнала неоднозначно для определения факта его работоспособности.
Известен способ тестирования надежности электрохимического сенсора при отсутствии внешнего источника газа, заключающийся в том, что сигнал на выходе датчика измеряют после кратковременного включения напряжения обратной полярности между рабочим и сравнительным электродом сенсора (см. патент США 6404205 от 08.05.2000 г. МКИ G01N 27/62).
Недостатком этого способа является сложность реализации и возможность применения для ограниченного типа сенсоров и только при измерении окисла углерода, а также зависимость от условий окружающей среды.
Известен также способ определения работоспособности газового сенсора, являющийся ближайшим по технической сущности к предложенному, заключающийся в том, что измеряют амплитуду сигнала на выходе чувствительного элемента сенсора, заключенного в оболочку с ограниченным отверстием, при кратковременном нагреве чувствительного элемента (см. Е.Е.Карпов, Е.Ф.Карпов и др. «Пути совершенствования термокаталических метанометров», ж. «Сенсор» 2002 г. №4, стр.2).
Ограниченность применения является существенным недостатком известного способа, поскольку он может быть использован только для термокаталических сенсоров и однокомпонентных газовых смесей.
Техническим результатом предложенного способа является решение задачи создания простого и достоверного способа определения работоспособности газового сенсора с полупроводниковым газовым элементом в присутствии многокомпонентной газовой смеси, каковой является атмосфера.
Этот технический результат достигается тем, что в способе определения работоспособности газового сенсора измеряют амплитуды сигнала на выходе сенсора при нагреве чувствительного элемента в диапазоне температур адсорбции газа на его поверхности одновременно по крайней мере на двух фиксированных частотах, определяемых типом измеряемого газа, сравнивают амплитуды сигналов и по величине разности судят о работоспособности сенсора.
Сущность предложенного способа поясняется чертежами.
На фиг.1 приведены диаграммы сигнала на нагрузочном сопротивлении для работоспособного и неработоспособного сенсора.
На фиг.2 показан пример Фурье-спектра выходного сигнала работоспособного сенсора в атмосфере с добавкой СО.
На фиг.3 представлен пример блок-схемы устройства, реализующего данный способ.
На фиг.1 представлен результат измерения шума выходного сигнала сенсора 2, снятого с нагрузочного сопротивления 1 (фиг.3) в атмосфере воздуха с газовой добавкой СО. Для работоспособного сенсора выходной сигнал (кривая 2) характеризуется периодическими колебаниями напряжения, определяемыми осцилляцией сопротивления газочувствительного элемента сенсора.
В случае неработоспособного сенсора в выходном сигнале сенсора (кривая 1) колебаний напряжения не наблюдается.
На фиг.2 показан Фурье-спектр выходного сигнала работоспособного сенсора в атмосфере воздуха с добавкой СО. Спектр характеризуется отдельными высокоамплитудными пиками, соответствующими колебаниям напряжения на частотах осциляции 0,55 Гц и 1,11 Гц.
Предлагаемый способ определения работоспособности сенсора, например, для газа СО, заключается в выделении двух областей частот, где одна из областей содержит частоту осцилляции, а вторая область заведомо не содержит ни одну из частот. Далее, два выделенных сигнала взаимовычитаются и сравниваются с порогом. Для работоспособного сенсора результирующий сигнал (содержащий высокоамплитудную частоту осцилляции) должен гарантированно превышать порог, что указывает на работоспособность сенсора или, в случае работоспособного сенора, на наличие в атмосфере газа СО. В случае работы с другими газами таких частот может быть больше.
Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, изображенного на фиг.3, где 3, 4 - режекторные фильтры на основе операционных усилителей; 1 - нагрузочный резистор, с которого снимается выходной сигнал; 5 - устрйство взаимного вычитания сигналов с 3 и 4 и сравнения с порогом, 2 - сенсор.
Номинал нагрузочного резистора 1 определяется из критерия снятия с резистора максимальной мощности сигнала. Номиналы емкостей и резисторов в режекторном фильтрах 3 и 4 определяются значением частот осциляции сопротивления сенсора для газа СО. Эти значения вычисляются на стадии предварительного исследования сенсора в атмосфере с гарантированным содержанием газа СО с известной концентрацией.
Определение частот осцилляции производиться по следующему алгоритму: проводиться измерение шума сенсора в атмосфере воздуха с газом СО; производится Фурье-преобразование измеренного шума и определение по полученному спектру значения частот осцилляции. Блок 3 вместе с нагрузочным резистором 1 образуют режекторный фильтр, настроенный на пропускание области частот около пика с максимальной амплитудой осцилляции сопротивления сенсора. Блок 4 вместе с нагрузочным резистором 1 образуют режекторный фильтр, настроенный на область частот сигнала, для которой, по предварительным измерениям, нет осцилляции сопротивления. Блок 5 выполняет функцию взаимного вычитания сигналов и сравнение с порогом. В случае превышения порога в 2-3 раза на выходе блока 5 появляется ненулевой сигнал.
Все блоки реализуются на основе операционных усилителей, резисторов и конденсаторов.
Предложенный способ позволяет достаточно просто, быстро и достоверно определить факт работоспособности газового сенсора в атмосфере и может быть использован для широкого круга газоанализаторов с нагреваемым чувствительным элементом.