УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА
DEVICE FOR DETERMINING CONCENTRATION OF OXYGEN

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и аналитического приборостроения и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство для измерения концентрации кислорода, содержащее нагреватель, термопару и пробирку из твердого электролита, обладающую при температуре от 950 до 1100 K кислород-ионной проводимостью. В этом устройстве (см. патент на полезную модель МПК №63534, 2007 г.), использующем в качестве датчика кулонометрическую ячейку с элементами из порошка мелкодисперсной платины, нанесенными на внутреннюю и внешнюю часть пробирки, измерением тока переноса ионов кислорода определяют массовую концентрацию кислорода.
Недостатком этого известного технического решения является низкая точность, связанная с изменением объемного расхода анализируемого газа. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятая автором за прототип измерительная система газоанализатора кислорода в газовой смеси (см. патент на полезную модель МПК: G01N №71771, 2008 г.). Данная измерительная система содержит герметичную камеру, внутри которой жестко закреплены полюса постоянных и ложных магнитов, рабочий и сравнительный чувствительные элементы, выполненные в виде спиралей, расположенных в зазорах наконечников постоянных и ложных магнитов соответственно. Камера в боковых стенках для прохождения газовой смеси имеет отверстия. Рабочий и сравнительный чувствительные элементы соединенны последовательно между собой и подключены по мостовой схеме к дополнительным элементам (сопротивлениям). При подаче на вход мостовой схемы (в первую диагональ моста) напряжения, по выходному (вторая диагональ моста) ее напряжению, из-за изменения омического сопротивления рабочего чувствительного элемента (рассогласование моста), можно получить информацию о величине концентрации кислорода в газовой смеси.
Недостатком этого технического решения можно считать нестабильность измерения концентрации кислорода напряжением, изменяющимся из-за влияния возмущающихся факторов окружающей среды.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение стабильности измерения концентрации кислорода.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения концентрации кислорода, содержащее первичный преобразователь, представляющий собой магнитную систему с рабочим и сравнительным чувствительными элементами, подключенными по мостовой схеме к двум сопротивлениям, соединенный входом с первым блоком питания, и измеритель, отличается тем, что в него введены второй блок питания, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты и усилитель напряжения, причем выход первичного преобразователя через усилитель напряжения соединен с первым входом микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, второй вход которого подключен ко второму блоку питания, выход микроволнового генератора с варактоной перестройкой частоты соединен с входом измерителя.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты дает возможность определить концентрацию кислорода.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения концентрации кислорода на основе проведения измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. повышением стабильности измерения концентрации кислорода. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Данное устройство содержит первый блок питания 1, соединенный с входом первичного преобразователя 2, усилитель напряжения 3, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты 4, второй блок питания 5 и измеритель 6.
1
2
1
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии кислорода в зоне измерения, с выхода первого блока питания 1 подают напряжение на вход первичного преобразователя 2, представляющего собой мостовую схему с рабочим, сравнительным чувствительными элементами и дополнительными сопротивлениями R и R. При этом сопротивления R и R (регулируемые) включены параллельно сравнительному чувствительному элементу и рабочему чувствительному элементу соответственно. После этого настраивают мост таким образом, чтобы на выходе моста (вход усилителя напряжения 3) отсутствовало напряжение (сбалансированный мост). При наличии в зоне измерения кислорода омическое сопротивление рабочего чувствительного элемента изменяется и на выходе первичного преобразователя появляется напряжение (разбаланс моста). В рассматриваемом случае при постоянном входном напряжении первичного преобразователя его выходное напряжение будет меняться в зависимости от изменения омического сопротивления рабочего чувствительного элемента, т.е. изменения концентрации кислорода в газовой смеси в камере. Далее этот выходной сигнал первичного преобразователя поступает на вход усилителя напряжения 3. Здесь сигнал усиливается и подается на первый вход (вход варактора) микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 4. Предварительно, с выхода второго блока питания 5 подают напряжение на второй вход (вход питания) микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты.
о
п
Из принципа функционирования микроволновых генераторов с варактроной перестройкой частоты известно, что изменением напряжения на варакторном входе можно перестроить частоту колебаний генератора. Следовательно, если при нулевом напряжении на входе варактора обозначить частоту колебаний генератора f, а при появлении напряжения на входе варактора частоту колебаний - f, то по разности этих величин можно вычислить разность частот при перестройке микроволнового генератора по частоте. Отсюда следует, что изменение частоты микроволнового генератора, связанное с изменением напряжения на варакторном входе микроволнового генератора, может быть использовано для оценки изменения напряжения на выходе усилителя напряжения. Согласно предлагаемому устройству, так как входным сигналом усилителя напряжения служит выходной сигнал первичного преобразователя, изменяющийся пропорционально изменению концентрации кислорода в зоне измерения, то частота микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты может быть использована для вычисления концентрации кислорода.
В данном устройстве для измерения частоты колебаний микроволнового генератора, связанной с концентрацией кислорода, выходной сигнал генератора поступает на вход измерителя 6. Здесь измеряют частоту и определяют величину концентрации кислорода. В качестве измерителя в данном случае может быть использован частотомер. При этом при отсутствии кислорода в зоне измерения (нулевое напряжение на входе варактора микроволнового генератора) частота, измеренная измерителем, будет соответствовать нулевому значению концентрации кислорода. Изменение (увеличение) концентрации кислорода в зоне измерения (при наличии в камере газовой смеси) приведет к пропорциональному изменению (увеличению напряжения на входе варактора микроволнового генератора и его частоты) частоты микроволнового генератора, которая далее в измерителе частоты 6 даст возможность судить о текущем значении концентрации кислорода в газовой смеси.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, на основе измерения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, можно обеспечить повышение стабильности определения концентрации кислорода в газовой смеси.
Предлагаемое устройство успешно может быть применено на объектах энергетики для обеспечения пожарной безопасности и в потенциально опасных для людей замкнутых пространствах.
Кроме того, одним из преимуществ данного технического решения по сравнению с прототипом является то, что выходной информативный сигнал устройства в виде частоты может быть передан на расстояние дистанционно.