ДАТЧИК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Область техники
Устройство относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля утечек горючих газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов и в атмосфере горных выработок и выдачи не только индивидуальной сигнализации при достижении измеряемым компонентом установленных пороговых значений, но и команд исполнительным устройствам, в частности блокам управления газовыми клапанами.
В частности, устройство может найти применение в качестве бытового сигнализатора утечек горючих газов в газифицированных многоквартирных и индивидуальных домах, обеспечивающего сигнализацию об утечке и выдачу радиокоманды на закрытие газового клапана.
Предшествующий уровень техники
Термокаталитический принцип газового анализа широко распространен для измерения концентрации горючих газов в воздухе. При этом для проведения измерений с помощью термокаталитических сенсоров используют статические (стационарные) и динамические режимы их работы. Статический режим работы характеризуется тем, что сенсор (или пара сенсоров - рабочий сравнительный) нагревается до рабочей температуры, которая длительно поддерживается для проведения измерений. Динамический режим работы характеризуется тем, что температура сенсора изменяется по определенному закону при проведении измерений, в частности, сенсор может нагреваться до 2-4 разных рабочих температур, или может выполняться режим температурного сканирования в заданном интервале температур. Важно отметить, что измерения выходного сигнала при работе в динамическом режиме производят циклически (периодически). После каждого цикла измерений следует пауза, длительность которой определяется нормативными документами, требующими иметь отклик через определенное время после начала воздействия. В данном случае - появление горючих газов в воздухе.
В последнее время термокаталитические сенсоры все чаще используются именно в режиме динамических измерений. Это позволяет экономить потребляемую мощность, что важно для переносных и автономных датчиков, а, с другой стороны, это позволяет расширить измерительные возможности термокаталитического метода, так как проведение измерений при разных температурах позволяет иметь больше данных для последующей обработки и, в частности, повысить точность, селективность и чувствительность измерений.
Известен способ измерения концентраций горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа [Патент РФ №2 623 828], который включает циклический режим работы сенсора с двухступенчатым импульсным питанием с заданными амплитудами напряжения, длительностью импульсов напряжения и паузами между ними. При этом первую ступень двухступенчатого импульса напряжения формируют путем кратковременной подачи напряжения на сенсор, в 2-2,5 раза превышающего номинальное рабочее напряжение сенсора, и длительностью, ограниченной моментом достижения сенсором температуры, на 15-20% превышающей ее номинальное рабочее значение. Измерение концентраций горючих газов производят в период переходного процесса охлаждения сенсора и выполняют путем измерения разницы выходных сигналов напряжений в двух строго фиксированных по времени точках в начале и конце переходного процесса охлаждения.
Достоинство данного способа заключается в сокращении длительности и мощности нагревательно-измерительного импульса тока при циклическом режиме работы термокаталитического сенсора, что снижает время контакта с реагирующими веществами и способствует повышению стойкости каталитически активной поверхности к отравлению каталитическими «ядами» и снижению блокирования этой поверхности отложениями кокса-углерода, образующегося в процессе окисления углеводородов и серосодержащих горючих составляющих.
Недостатком данного способа является то, что при подаче на сенсор напряжения, в 2-2,5 раза превышающего номинальное рабочее напряжение сенсора, происходит:
сверхбыстрый разогрев сенсора протекающим током;
протекающий ток, в несколько раз превышающий номинальное значение тока сенсора.
Сверхбыстрый нагрев сенсора вызывает резкий рост механических напряжений из-за разного температурного коэффициента расширения (ТКР) материалов, используемых в сенсоре. Это может приводить к обрыву микронагревателя сенсоров, растрескиванию катализатора, обрыву контактов и к другим последствиям, которые уменьшают срок службы сенсора.
Уровень техники
Наиболее близким к описываемому является беспроводной датчик газа с автономным питанием [Патент на полезную модель РФ №95849], содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную схему, микропроцессорный модуль, радиопередатчик и элементы питания в виде батареи.
Достоинствами данного устройства является то, что оно имеет маломощный приемо-передатчик для обмена данными с периферийными устройствами, в том числе с исполнительными (в частности газовым клапаном), и источник автономного питания в виде батареи. Таким образом, данное устройство является полностью автономным, т.е. не связано с сетевым питанием и проводными линиями передачи данных.
Для обеспечения энергоэффективности и увеличения времени работы от одного комплекта батарей устройство работает в периодическом режиме измерения концентрации целевых газов в воздухе, т.е. в период времени между измерениями устройство «уходит» в спящий режим, когда потребление энергии сводится к минимальному значению.
В качестве сенсоров в устройстве используются термокаталитические или полупроводниковые сенсоры. Оба типа сенсоров требуют их нагрева до рабочей температуры.
Недостатком данного устройства является то, что при периодическом проведении измерений концентрации целевых газов в воздухе на сенсор подается сразу номинальное значение напряжения, которое вызывает его сверхбыстрый разогрев до требуемой температуры.
В частности, в случае использования термокаталитического сенсора поданное на мостовую схему напряжение (в одно из плеч которой включены рабочий и сравнительные сенсоры) равно 2,8 В. При этом происходит нагрев сенсоров до рабочей температуры порядка 450°С. Номинальный ток, протекающий через сенсоры при рабочей температуре, составляет 52 мА. Время разогрева зависит от конструкции термокаталитического сенсора и обычно лежит в диапазоне от нескольких десятых секунды до 1 секунды.
При этом важно отметить, что в первоначальный момент времени ток, протекающий через сенсоры, в несколько раз превышает номинальное значение в 52 мА. Исходя из того, что сопротивление при комнатной температуре рабочего и сравнительного сенсора составляет 12 Ом, то при приложении к мостовой схеме 2.8 В получаем, что начальный расчетный ток будет равен порядка 117 мА (фиг. 1). На фиг. 1 значение 117 мА не выявляется из-за ограниченного быстродействия измерительного прибора. Время разогрева сенсора составляет чуть более 0.4 с.
Таким образом, в первоначальный момент времени мы имеем импульс тока, значительно превышающий номинальное значение и вызывающий сверхбыстрый нагрев сенсора, а следовательно резкий рост механических напряжений из-за разного ТКР материалов сенсора. Однократный или редкий импульс тока не приводит к выходу сенсора из строя из-за, например, обрыва микронагревателя сенсоров (рабочего или сравнительного), растрескивания катализатора, обрыва контактов и др. причин. Однако проведение периодических измерений порядка 1 раз в 20 секунд, т.е. 4330 измерения в сутки, вызывает ускоренное разрушение микронагревателя и контактов к нему, что может приводить к преждевременному перегоранию микронагревателя или обрыву контактов. При этом важно учитывать, что при непрерывном нагреве термокаталитический сенсор служит от 6 месяцев до 3 лет.
Указанный недостаток снижает надежность работы устройства за счет уменьшения срока службы сенсоров.
Технически нагрев сенсора можно проводить в режиме стабилизации тока, равного номинальному. Но тогда необходимо изменять методику проведения измерений концентрации горючего газа.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей полезной модели является увеличение надежности работы датчика горючих газов вследствие уменьшения вероятности перегорания нагревательного элемента сенсора в процессе проведения измерений.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи по предотвращению перегорания микронагревателя сенсора, состоит в подаче на нагревательный элемент квазилинейно увеличивающегося напряжения от 0 В до заданного значения. Нарастание напряжения происходит таким образом, чтобы ток через сенсор не превышал номинальное значение, а в идеале оставался бы равным номинальному значению во время нагрева сенсора до рабочей температуры.
Сущность изобретения состоит в том, что датчик горючих газов содержит газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, беспроводный модуль передачи команд и данных, а также схему питания сенсоров и устройства в целом. При этом напряжение питания для нагрева сенсоров плавно увеличивается от 0 В до заданного значения, обеспечивая постоянное значение тока, не превышающее номинальное значение.
Кроме того, технический результат достигается за счет использования полупроводниковых и термокаталитических сенсоров или их комбинации; использования для нагрева сенсоров до рабочей температуры широтно-импульсной модуляцией напряжения; использования звуковой и световой сигнализации о превышении установленных заданных концентраций, встроенного вибросигнала, а также возможности отображения данных на дисплее устройства.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. - зависимость тока, протекающего через мостовую сенсорную схему, от времени нагрева.
Фиг. 2. - блок схема датчика горючих газов.
Фиг. 3. - импульс приложенного к сенсору нагревающего напряжения: квазилинейный нагрев (сплошная линия), нагрев прямоугольными импульсами (пунктирная кривая).
Осуществление полезной модели
Пример. Датчик горючих газов состоит из термокаталитического сенсора (Rt), микроконтроллера (MCU), приемопередатчика (RF), звуковой и световой сигнализации, элемента питания и схемы управления питанием сенсора и устройства в целом (фиг. 2). Датчик горючих газов является сигнализатором наличия метана в воздухе и имеет один порог срабатывания.
В предложенном датчике горючих газов были применены термокаталитические сенсоры, серийно выпускаемые отечественной фирмой «НТЦ ИГД» с заявленным энергопотреблением величиной 140-145 мВт в статическом режиме измерений мостовой измерительной схемы, при этом величина питающего напряжения составляет 2,8 В. Номинальное значение тока лежит в диапазоне 50-52 мА.
У мостовой измерительной схемы есть существенный недостаток, который заключается в использовании рабочего и сравнительного сенсоров, и которые необходимо нагревать до рабочей температуры. Это ограничивает время автономной работы.
Поэтому в устройстве был заложен алгоритм проведения динамических измерений в схеме с резистивным делителем R (фиг. 2). Схема содержит только один рабочий сенсор и работает в импульсном режиме измерений. Для исключения влияния неконтролируемых параметров (температуры внешней среды, влажности и давления) на сенсор прикладывается двойной импульс нагревающего напряжения.
Профиль нагрева сенсора, изображенный на фиг 3 (сплошная линия), состоит из трех частей. На первом участке длительностью 2 секунды подается импульс величиной 0.6 В. Эта ступень не зависит от концентрации детектируемого горючего газа и снижает зависимость измерений от условий окружающей среды. Вторая ступень с величиной амплитуды 1.7 В и длительностью 1 секунда нагревает поверхность сенсора до рабочих температур. Для обеих ступеней время разогрева лежит в диапазоне 0.4-0.5 с. Эта ступень служит для определения концентрации метана. В конце этой ступени сопротивление сенсора равно 28 Ом. На третьем этапе следует пауза в течение 27 секунд, после чего подача импульсов нагрева начинается заново. Длительность первой и второй ступени определяется временем выхода сенсора на рабочий режим, а периодичность подачи нагревающих импульсов задается нормативными документами на сигнализаторы горючих газов.
Если импульсы прикладываемого напряжения будут прямоугольными (фиг. 3, пунктирная кривая), то, как было сказано выше, в первоначальный момент времени, через сенсор будет протекать избыточный нагревающий ток, который при определенной величине напряжения может превышать номинальное значение 52 мА. Поэтому в предложенном датчике горючих газов предложена схема плавного увеличения напряжения за счет использования широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При этом амплитуда приложенного напряжения варьируется за счет скважности ШИМ. Для обеспечения ШИМ в качестве коммутационного элемента используется MOSFET-транзистор VT1, работающий в режиме ключа (фиг. 2).
Чтобы не было резкого разогрева сенсора на начальном этапе подачи напряжения, и нагревающий ток не превышал номинальное значение 52 мА, прикладываемое к сенсору напряжение квазилинейно увеличивается от 0 до 0.6 В для первой ступени и от 0.6 В до 1.7 В - для второй ступени. Квазилинейное увеличение напряжения выполняется в течении 0.4 с для каждой из ступеней, которое приблизительно соответствует времени разогрева сенсора при приложении к нему импульсов напряжения 0.6 В и 1.7 В. При этом напряжение увеличивается квазилинейно (нагрев разбит на 11 ступеней равными интервалами по времени и по изменению напряжения).
Критерий непревышения номинального тока определяется законом Ома. Если номинальное значение тока 52 мА, а сопротивление сенсора при комнатной температуре 12 Ом,  то начальное значение напряжения не может превышать 0.62 В. Поэтому, если брать меньшую амплитуду напряжения, то ток не будет превышать номинального значения. Но так как даже такая величина приложенного напряжения может вызвать быстрый разогрев материала. Поэтому в нашем случае мы разбили нагрев на 11 ступеней с разной скважностью ШИМ.