ГАЗОАНАЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для экологического контроля газового состава атмосферы, для слежения за возникновением чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросами в атмосферу экологически опасных химических веществ на промышленных предприятиях.
Известен двухмодульный газоанализатор, содержащий хотя бы один чувствительный элемент-датчик, измерительное устройство и источник электрической энергии, снабженный блоками светозвуковой сигнализации, причем часть его датчиков может быть снабжена фильтрами (см. патент РФ №43081, 27.12.2004).
Хотя известный газоанализатор имеет достаточно высокую чувствительность и успешно решает многие задачи мониторинга состава атмосферы, он имеет ограничения по количеству одновременно детектируемых веществ-примесей и ограничения по селективности.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является газоанализатор, состоящий из блока питания, побудителя расхода газа, по крайне мере одного газочувствительного датчика, блока обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем, и микроконтроллера, управляющего температурным режимом датчика и позволяющего циклически изменять и поддерживать температуру чувствительного слоя полупроводникового датчика путем изменения подаваемого на его нагреватель регулируемого напряжения (патент РФ №70992, 20.02.2008). Функционирование газоанализатора основано на измерении проводимости полупроводникового датчика (датчиков) и последующей обработке с помощью микроконтроллера полученных сигналов.
Однако данное устройство обладает недостаточно высокой селективностью при анализе многокомпонентных газовых смесей, в частности, содержащих примеси в аэрозольной фазе.
Задача создания полезной модели состояла в увеличении количества одновременно определяемых атмосферных примесей.
Указанная задача решается тем, что предложен газоанализатор на основе полупроводниковых кондуктометрических датчиков, содержащий блок питания, блок пробоотбора с установленными в нем газовыми датчиками, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллер для управления режимом нагрева датчиков путем подачи сигналов на их нагреватели и непрерывного измерения проводимости чувствительных слоев датчиков с последующей обработкой полученных данных, отличающийся тем, что блок пробоотбора содержит по меньшей мере два газовых канала, имеющих единую точку забора анализируемого газа, каждый канал разделен перегородками из фильтрующего материала на несколько объемов, в каждом из которых установлены один или более газовых датчиков, а сигнальные выходы микроконтроллера с различными формами сигналов, управляющие режимами нагрева датчиков, соединены с определенными группами датчиков.
Газовые каналы изготовлены из материала, химически инертного по отношению к исследуемым газам, в стенках газовых каналов выполнены герметизированные электрические разъемы, в каждый разъем может быть установлен один газовый датчик. Все каналы имеют единую точку забора исследуемой газовой смеси. В данной точке установлен датчик для измерения температуры и влажности исследуемой газовой смеси. Получаемые с датчика данные через блок обработки и передачи информации поступают на вход микроконтроллера и учитываются при обработке сигналов газовых датчиков. Каждый газовый канал также включает побудитель расхода и измеритель расхода, соединенные ПИД-регулятором для поддержания постоянного потока исследуемой газовой смеси через канал. Каждый газовый канал разделен на несколько рабочих объемов с помощью устанавливаемых в них фильтров.
На Фиг.1 изображена схема блока пробоотбора, на которой изображено три газовых канала 1, 2 и 3. Газовый канал 1 состоит из побудителя расхода 4, измерителя расхода 5, камер 6 и 7, в камеру 6 установлены датчики 8 и 9, и датчики 10 и 11 - в камеру 7. Также в газовом канале установлены перегородки из фильтрующего материала 12 и 13, предназначенные для модификации исследуемой смеси. Побудитель расхода 4 и измеритель расхода 5 соединены через ПИД-регулятор 13, предназначенный для поддержания в канале строго заданной величины потока. Аналогичное устройство имеют каналы 2 и 3. Все каналы имеют единую точку забора исследуемой газовой смеси 14. До разделения исследуемой газовой смеси с помощью датчика влажности и температуры 15 измеряются ее влажность и температура.
В режиме работы газоанализатора осуществляется забор пробы через точку забора 14, производится измерение температуры и влажности смеси датчиком 15, после чего смесь разделяется таким образом, чтобы через каждый канал проходил поток исследуемой газовой пробы, равный заданному в ПИД-регуляторе, соотствующем каналу. С датчиков, установленных во всех газовых каналах, снимается сигнал, который поступает на вход микроконтроллера.
Блок обработки и передачи информации включает усилительную часть и блок ЦАП/АЦП. Усилительная часть предназначена для усиления управляющих сигналов с микроконтроллера по току и для усиления сигналов с газовых датчиков по напряжению. Блок ЦАП-АЦП преобразовывает цифровой управляющий сигнал микроконтроллера в аналоговый для последующего усиления в усилительной части и оцифровывает сигналы, получаемые с газовых датчиков. Управляющее напряжение на нагреватели газовых датчиков подается в диапазоне 0-5 В с погрешностью не более 0,5%. Сопротивление активного слоя измеряется в диапазоне 1-1000 кОм с погрешностью не более 0,5%.
Микроконтроллер предназначен для осуществления управления температурным режимом датчиков и непрерывного измерения проводимости чувствительных слоев датчиков с последующей обработкой полученных данных. Управление температурным режимом датчиков осуществляется следующим образом: управляющий сигнал с микроконтроллера подается на блок обработки и передачи информации, в нем усиливается и подается на нагреватели датчиков. Важно, что микроконтроллер позволяет подавать управляющие сигналы различной формы на различные группы датчиков, как правило состоящие из датчиков одной модели, стоящих в одном газовом канале и разделенных фильтрами. Рекомендуемые формы управляющих сигналов: постоянное напряжение до 5 В, пилообразно изменяющееся напряжение с частотой 0,01-0,02 Гц и амплитудой 1-5 В. Для измерения сопротивления активных слоев датчиков, сигналы с датчиков (ток и напряжение активного слоя) усиливаются в блоке обработки и передачи информации, затем оцифровываются и подаются на вход микроконтроллера. После анализа сигналов датчиков микроконтроллер на дисплее отображает состав анализируемой смеси. Анализ исследуемой газовой смеси проводится в два этапа:
1) Детектирование появления примеси в атмосфере путем анализа сигнала датчика (датчиков), работающих при постоянном напряжении на нагревателе, расположенных перед фильтрами.
2) Качественный и количественный анализ примеси путем анализа сигнала датчиков, работающих в режиме подачи пилообразного напряжения на нагреватель. На данном этапе получаются зависимости сопротивления активных слоев датчиков в зависимости от напряжения на нагревателе за период развертки, и путем многофакторного анализа полученных зависимостей устанавливается качественный и количественный состав исследуемой смеси.
В качестве блока индикации используется дисплей, также может подключаться блок звуковой и световой сигнализации.
Осуществление полезной модели наглядно демонстрируется структурной схемой прибора (Фиг.2), состоящей из блока пробоотбора с установленными в нем датчиками, блока обработки и передачи информации, состоящего из блока ЦАП/АЦП и усилительной части, блока питания, блока индикации, блока управления, микроконтроллера.
Благодаря отмеченным выше отличительным особенностям выполнения газоанализатора обеспечивается возможность анализа различными типами датчиков как немодифицированной анализируемой смеси, так и модифицированной различными способами (путем прохождения через фильтры или мембраны различных типов) при однократном включении газоанализатора.
Другим отличием газоанализатора является то, количество газовых каналов и камер не ограничено и может варьироваться в зависимости от конкретной задачи детектирования.
Технический результат 1 полезной модели заключается в повышении селективности газоанализатора (в т.ч. к веществам, находящимся в паровой и аэрозольной формах) при использовании меньшего количества датчиков.
Технический результат 2 полезной модели заключается в практически мгновенном (время отклика не более 1 с.) получении сигнала о появлении постороннего вещества в атмосфере с последующим качественным и количественным анализом газового состава атмосферы.
Технический результат 3 полезной модели заключается в возможности расширения набора одновременно детектируемых атмосферных примесей.
Технический результат 1 достигается тем, что по крайней мере в одном из газовых каналов может быть установлен фильтр (мембрана или другой прибор для модификации анализируемой газовой смеси), препятствующий дальнейшему протеканию некоторой компоненты анализируемой смеси по каналу. Многие промышленно производимые модели фильтров и мембран обладают высокой фильтрующей способностью по отношению к аэрозолям и летучим органическим веществам. В этом случае по соотношению между откликами датчиков, находящихся до и после фильтра можно сделать вывод о роде вводимого вещества.
Технический результат 2 достигается с помощью подачи управляющего напряжения различной формы на нагревательные слои двух различных групп датчиков. Для одной группы это напряжение постоянно (изменение проводимости чувствительного слоя отдельного датчика этой группы означает появление в атмосфере постороннего вещества, время реакции датчика данной группы менее 1 с, такое время достигается за счет высокой скорости доставки анализируемой смеси от точки забора к датчику и малого времени отклика датчика). Для другой группы датчиков это напряжение пилообразной формы с периодом 1-2 мин., обеспечивающее циклическое изменение температуры нагревательного и чувствительного слоев датчика. По характерным максимумам в зависимости отклика датчика от температуры в течение периода развертки определяется качественный состав смеси, а по значениям проводимости в точках максимума - концентрации введенных компонент.
Технический результат 3 достигается тем, что количество каналов с установленными в них фильтрами и датчиками различных типов можно увеличивать в соответствии с конкретной решаемой задачей.
Различные модификации устройства предусматривают установку звуковой и/или световой сигнализации с целью быстрого оповещения о возможном наличии примеси в атмосфере.
Таким образом, взаимосвязь известных и отличительных признаков в полезной модели позволяет увеличить количество одновременно определяемых атмосферных примесей при сохранении точности измерения концентраций.
Ниже приводятся параметры конкретной реализации полезной модели, обеспечивающие получение заявленных технических результатов:
Параметр
Значение
Количество газовых каналов
2
TGS 2602 (3 шт.)
Используемые датчики
TGS 2610 (3 шт.) TGS 2611 (3 шт.) TGS 2620 (3 шт.)
Используемые фильтры
фильтр Петрянова, фильтр с угольной пропиткой
Материал газового канала
дюралюминий
пропан, бутан, четыреххлористый
Детектируемые газы, пары низкокипящих жидкостей, аэрозоли
углерод, изопропиловый спирт, фенол, формальдегид, толуол, бензол, уксусный альдегид,
аммиак, ацетон, стирол, аэрозоли биологического и технического происхождения
Нижний предел обнаружения газа, мкг/л
1
Время отклика на появление газа, сек.
1
Время проведения анализа газа, мин.
2
Разрядность ЦАП/АЦП
14
Частота ЦАП/АЦП, кГц
100
Количество каналов АЦП
32
Количество каналов ЦАП
2
Потребляемая мощность, Вт
10
Диапазон пилообразного сигнала, В
1-5
Период пилообразного сигнала, сек.
120
Модель побудителя расхода
ПМЭ-10-4015
Модель измерителя потока
AWM5101VN
Используемый ПИД-регулятор
Аналоговая схема обратной связи