Способ измерения концентрации газа термокаталитическим датчиком
METHOD OF MEASURING GAS CONCENTRATION USING A THERMO-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 термокаталитические датчики, имеющие высокое быстродействие, длительный срок службы и низкую стоимость. Термокаталитические 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 чувствительного элемента покрыта термокаталитическим слоем (платина и другие). Элементы подогреваются током внешнего источника до температуры, при которой на поверхности чувствительного элемента может происходить термокаталитическое окисление горючих газов. Типовое включение датчика – мостовая схема (фиг.1) [Дрейзин В.Э. Моделирование термокаталитического 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 термокаталитическая реакция на компенсационном 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. При больших концентрациях аналита температура чувствительного элемента существенно возрастает по сравнению с температурой в его отсутствие, 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.
И
ПАУЗА
Известен также 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 термокаталитическим 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 t/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 термокаталитическом 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.
Ч
К
Ч
К
ЗЧ
ЗК
Ч
К
Для достижения указанного результата предложен способ измерения концентрации газа термокаталитическим датчиком, заключающийся в том, что нагреватель чувствительного и компенсационного элемента датчика нагревают до номинальных температур электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью двух ШИМ генераторов с одним и тем же периодом и неперекрывающимися электрическими импульсами, при этом стабилизируют температуры нагревателей, подавая на входы обратной связи ШИМ генераторов величины амплитуд падения напряжения на нагревателях, пропорциональные их сопротивлениям зависящим от температуры, а нагреватели нагревают импульсами тока источника стабильного напряжения, протекающими через общий для них опорный резистор,  в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генераторов используют величины амплитудного падения напряжения на нагревателях чувствительного (индексы «» в обозначениях величин) и компенсационного (индексы «» в обозначениях величин) элементов, формируемые разновременно в моменты протекания соответствующих токов, при этом стабилизируют сопротивления нагревателей путем изменения отношения соответствующих длительностей импульсов к периоду t/Т и t/Т (коэффициентов заполнения К и К), подаваемых с выходов программно управляемых ШИМ генераторов, запоминая значение длительностей импульсов tи t, а измеряемую концентрацию аналита определяют из выражения
0
Ч0Т,
К0Т
С1
Ч
К
С2
С1
1
Ч0Т,
К0Т
1
0
0
в котором константа С, определяется во время калибровки на смеси газов с известной концентрацией аналита, константы t t, являющиеся длительностями импульсов программно управляемых ШИМ генераторов, определяются в момент калибровки при некоторой температуре окружающей среды Т (её точное значение не используется) в отсутствие аналита, длительности импульсов t и t, программно управляемых ШИМ генераторов определяются также в отсутствие аналита при другой температуре окружающей среды Т, существенно отличающейся от Т (её точное значение не используется), а константа С определяется как  Константы t t, С, С – являются калибруемыми величинами. При этом только константа C, определяющая чувствительность, калибруется по смеси газов с известной концентрацией аналита. Остальные константы зависящие от неидентичности чувствительного и компенсационного элементов термокаталитического датчика и отклонения от расчётных значений параметров измерительной схемы определяются в отсутствие аналита.
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – Мостовая схема включения термокаталитического датчика; фиг. 2 – Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; фиг. 3 – Временная диаграмма управляющих импульсов ШИМ генераторов.
Рассмотрим способ измерения детальнее.
Уравнение теплового баланса для чувствительного и компенсационного элементов датчика в установившемся режиме при питании их прямоугольными импульсами тока и стабилизированных амплитудах падений напряжений них:
(1)
(2)
Ч
K
Х
Ч
К
Ч
Ч
К
К
Ч
К
С
ТЧ
ТК
где P, P – средние значения электрических мощностей за период ШИМ, выделяющихся на чувствительном и компенсационном элементах термокаталитического датчика (далее датчика), P – дополнительная мощность, выделяющаяся на чувствительном элементе датчика за счёт химической реакции термокаталитического окисления аналита, R, R – сопротивления нагревателей чувствительного и компенсационного элемента датчика, соответственно,  U, I, U, I – действующие значения напряжений и токов, чувствительного и компенсационного элементов датчика, T, T, Т – температура чувствительного, компенсационного элементов датчика и окружающей среды, соответственно,  δ – коэффициент теплоотдачи чувствительного элемента датчика, δ – коэффициент теплоотдачи компенсационного элемента датчика в общем случае отличающиеся из-за невозможности точно выдержать одинаковыми геометрию элементов и состав материалов.
ТК
ТЧ
Для исключения из выражений температуры среды умножаем выражения (1) и (2) на δ и δ, соответственно:
(3)
(4)
И вычитаем из (3) (4):
(5)
В последнем выражении правая и, следовательно, левая часть не зависят от температуры среды. Точные значения температуры чувствительного и компенсационного элементов при стабилизации амплитуды напряжения на них неизвестны.
В отсутствие аналита выражение (5) приобретёт вид:
(6)
Ч0
К0
где P, P – мощности, подводимые к чувствительному и компенсационному элементам в отсутствие аналита. Температура среды при этом может быть другой, но она не входит в выражения (5) и (6).
Воспользовавшись (6), исключаем из (5) разность температур:
(7)
Отсюда мощность, выделяемая за счёт химической реакции:
(8)
Средние значения за период ШИМ каждой из мощностей изменяются при изменении температуры окружающей среды в соответствии с (1), (2), но разности в скобках остаются независящими от неё, что следует из (6).
З
Среднее значение мощности, выделяющейся при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) равно максимальному значению мгновенной мощности, умноженной на коэффициент заполнения К, равный отношению длительности импульса к периоду ШИМ.
Максимальные значения мгновенных мощностей, выделяющиеся при протекании тока через нагреватель чувствительного и компенсационного элементов определяются через амплитудные значения напряжений и токов нагревателей, и равны, т.к. амплитудные значения напряжения на элементах стабилизируются и их целесообразно выбирать одинаковыми для взаимной компенсации ошибок системы стабилизации температур:
=   (9)
ЧM
KM
ЧM
KM
0М
0М
0М
0
0М
0
где U= U, I= I = I – амплитуды напряжений и токов чувствительного и компенсационного элементов, соответственно, I – амплитуда тока, протекающего через опорный резистор, подключаемый поочерёдно последовательно с чувствительным или опорным элементом, U, R – амплитуда напряжения на опорном резисторе и величина сопротивления опорного резистора, соответственно. U, R – постоянные величины для конкретного газоанализатора.
М
Максимальное значение мгновенной мощности Р является константой в данном способе измерения концентрации аналита и определяется выбранным напряжением питания ШИМ генераторов поочерёдно генерирующих импульсы тока в чувствительном и компенсационном элементах датчика, протекающие через общий опорный резистор, величиной сопротивления опорного резистора, и номинальной рассеиваемой мощностью на элементе датчика (значение, заданное производителем датчика).
Среднее за период ШИМ значение мощности определяется соответствующим коэффициентом заполнения:
Ч
М
ЗЧ
К
М
ЗК
Ч0
М
ЗЧ0
К0
М
ЗК0
М
Р = РК, Р = РК, Р = РК, Р = РК= Р,   (10)
ЗЧ
ЗЧ0
ЗК
ЗК0
где К, К - коэффициенты заполнения для чувствительного элемента в рабочем режиме и режиме калибровки (измерения без аналита), К, К - коэффициенты заполнения для компенсационного элемента в рабочем режиме и режиме калибровки.
Выражая в (8) средние значения мощностей через максимальное значение мгновенной мощности и соответствующие коэффициенты заполнения, получим:
(11)
Х
1
С учётом того, что коэффициенты заполнения выражаются через соответствующие длительности широтно-модулированных импульсов - t, и период ШИМ колебаний - Т, а концентрация аналита связана прямо-пропорциональной зависимостью с мощностью выделяемой при термокаталитической реакции окисления Р, при замене отношения коэффициентов теплоотдачи константой C, получим выражение для концентрации аналита:
(12)
Ч0
К0
Ч
К
где t, t, t, t- длительности импульсов подогрева чувствительного и компенсационного элементов, соответственно, при калибровке в отсутствии аналита и в рабочих условиях, С – коэффициент.
0
Заменяя постоянный множитель перед скобкой калибруемой константой C и перегруппируя переменные, получим:
(13)
0
1
Ч0
К0
Определение констант С, С, t, t осуществляется при калибровке.
Ч0
К0
1
На первом шаге калибровки при отсутствии аналита определяют длительности импульсов подогрева чувствительного t и компенсационного элементов t при некоторой температуре окружающей среды Т, и сохраняют их как константы.
2
1
Ч
К
1
2
Затем при температуре окружающей среды Тотличающейся от Т определяют длительности импульсов t, t. Т и Т должны отличаться, по возможности, как можно больше для повышения точности калибровки, но их точные значения не используются (для целей калибровки на этом этапе возможно помещение  газоанализатора в климатическую камеру).
Ч0
К0
Ч
К
Ч0
К0
1
Калибровка может быть растянута во времени, т.е. при текущей температуре окружающей среды определяются t, t, а в любое другое время при существенном изменении температуры среды и в отсутствие аналита определяются  t, t. Функционирование с новыми значениями t, t, остаётся корректным, при этом используется прежнее значение константы С, которая обновляется лишь при продолжении коррекции при другой температуре. Следует отметить, что наличие микроконтроллера, необходимого при реализации способа позволяет практически полностью автоматизировать процедуры калибровки.
Для повышения точности целесообразно осуществлять усреднение длительностей ШИМ импульсов за достаточно большое целое число периодов (более 100). Частота ШИМ импульсов выбирается исходя из минимального изменения сопротивления нагревателей за период ШИМ (допускаются изменения меньшие 0,1%), поэтому период ШИМ редко превышает единицы миллисекунд, а потому за время усреднения, сравнимое с временем отклика типичного датчика на скачкообразное изменение концентрации аналита, число периодов ШИМ достигает единиц тысяч.
1
Поскольку концентрация аналита равна нулю, то константа С определяется из (13) выражением:
(14)
Ч0
К0
1
0
Значения, принятые в качестве t и t, сохраняются как константы вместе с С и используются в дальнейшем для определения коэффициента С при следующем шаге калибровки, а также для вычисления концентрации аналита по выражению (13).
0
И
0
На следующем шаге калибруется чувствительность анализатора, т.е. определяется коэффициент C. Для этого измеряется заранее известная концентрация калибровочной газовой смеси – С, часто соответствующая Ѕ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР. Значение коэффициента С находится из выражения (13):
(15)
0
Как и предыдущие константы, С сохраняется в качестве калибруемой константы.
При измерении данным способом информативными параметрами по которым определяется концентрация аналита являются лишь длительности импульсов подогрева чувствительного и компенсационного элементов датчика. Не требуется измерения температур окружающей среды и знаний истинных температур элементов датчика ни в процессе калибровки, ни в процессе измерения концентрации аналита.
При применении программно управляемых ШИМ генераторов (на основе, например, таймеров, встроенных в микроконтроллеры), длительности импульсов в установившемся режиме являются известными программно регулируемыми величинами, обеспечивающими поддержание постоянной температуры чувствительного и компенсационного элементов датчика и непосредственно определяют электрические мощности, выделяющиеся на нагревателях чувствительного и компенсационного элементов. Поэтому никаких измерений электрической мощности, ухудшающих точность измерения проводить не надо. Амплитуды падений напряжения на чувствительном и компенсационном элементах могут отклоняться от расчётного значения, но должна быть обеспечена их стабильность.
Простейший способом стабилизации напряжения на чувствительном и компенсационном элементах – это увеличение длительности соответствующего ШИМ импульса на минимальный шаг приращения, если напряжение меньше заданного значения, и уменьшение в противоположной ситуации. Устойчивость системы регулирования достигается благодаря тому, что постоянные времени нагрева и охлаждения (инерционность тепловых процессов) существенно превышают период ШИМ, что обеспечивается выбором периода ШИМ.
На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство состоит из источника стабильного напряжения 1; опорного резистора 2; термокаталитического датчика 3, содержащего компенсационный элемент 4, являющийся одновременно термометром сопротивления, заключённым в керамическую капсулу и чувствительный элемент 5, аналогичный по исполнению компенсационному элементу 4, но с капсулой покрытой катализатором; ключей 6 и 7, формирующих поочерёдно импульсы напряжения стабильной амплитуды на последовательно соединённых компенсационном элементе 4 и опорном резисторе 2, или последовательно соединённых чувствительном элементе датчика 5 и опорном резисторе 2; микроконтроллера 8; устройства индикации 9 и интерфейсного адаптера 10.
Выходы источника стабильного напряжения 1 подключены к выводам питания микроконтроллера 8 и последовательно соединённым опорному резистору 2, компенсационному элементу 4 термокаталитического датчика 5 и ключу 6; при этом параллельно последовательному соединению компенсационного элемента 4 и ключа 6 подключено последовательное соединение чувствительного элемента 5 и ключа 7; управляющий вход ключа 6 подключен к выходу 12 микроконтроллера 8, являющегося выходом первого ШИМ генератора, реализованного на встроенном программно управляемом таймере; управляющий вход ключа 7 подключен к выходу 13 микроконтроллера 8, являющегося выходом второго ШИМ генератора, реализованного на встроенном программно управляемом таймере;  с точки соединения опорного резистора 2 и компенсационного и чувствительного элементов термокаталитического датчика напряжение подаётся на вход 11 микроконтроллера 8, являющийся входом встроенного аналого-цифрового преобразователя (или компаратора); выход 14 микроконтроллера 8 подключен к устройству индикации 9, а вывод 15 подключен к интерфейсному адаптеру 10.
Устройство работает следующим образом.
Широтно-модулированные импульсы с выходов 12 и 13 микроконтроллера 8 поочерёдно в течении одного периода ШИМ поступают на управляющие входы ключей 6 и 7, представляющих собой полевые транзисторы с изолированным затвором и низким сопротивлением открытого канала.
На фиг. 3 показаны временные диаграмма управляющих ключами импульсов ШИМ генераторов на выводе 12 - канал компенсационного элемента (КЭ), и выводе 13 – канал чувствительного элемента (ЧЭ).
Импульсы напряжения с источника стабильного напряжения 1 через опорный резистор 2 и открытый ключ 6 или 7 поступают на компенсационный 4, или чувствительный 5 элементы термокаталитического датчика 3.
При открытом ключе 6 амплитуда падения напряжения на компенсационном элементе 4 термокаталитического датчика 3 поступает на вход 11 микроконтроллера 8, преобразуется встроенным аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и сравнивается с расчётным значением, соответствующим номинальной температуре компенсационного элемента, а при открытом ключе 7 амплитуда падения напряжения на чувствительном элементе 5 термокаталитического датчика 3 поступает на вход 11 микроконтроллера 8, преобразуется встроенным аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и сравнивается с расчётным значением, соответствующим номинальной температуре чувствительного элемента, при которой идёт термокаталитическая реакция (при использовании вместо аналого-цифрового преобразователя компаратора, сравнение осуществляется им). При отклонении от расчётного значения любого из напряжений, программно изменяется соответствующая длительность импульсов ШИМ в следующем периоде и, следовательно, среднее значение за период ШИМ мощности подогрева. В установившемся режиме температура элементов остаётся стабильной. Длительность импульсов ШИМ сохраняется в качестве соответствующих параметров для компенсационного и чувствительного элементов термокаталитического датчика, несущих информацию о мощности, выделяемой на них.
Ч0
К0
С1
С2
Ч
К
1
Концентрация аналита вычисляется в соответствии с выражением (13), в котором в режиме калибровки в отсутствие аналита определяются и запоминаются в качестве калибровочных констант длительности импульсов подогрева чувствительного и компенсационного элементов датчика t и t при температуре окружающей среды Т, а затем при температуре окружающей среды Т определяются длительности импульсов подогрева t и t, необходимые для расчёта константы С по выражению (14). Вычисляемое значение концентрации аналита отображается на устройстве индикации 9. На нём же в режиме калибровки отображаются режимы и вводимая концентрация аналита в калибровочной смеси.
С1
С2
1
Температуры окружающей среды Т, Т выбираются максимально разнесенными, т.к. это повышает точность определения константы С, но исходя из возможностей реализации. При этом сами значения температур не требуют точного измерения, так как их значения не используются.
0
Константа С определяется во время калибровки устройства калибровочной смесью, и сохраняется в памяти микроконтроллера 8. Перевод газоанализатора в режим калибровки и управление им осуществляется дистанционно через интерфейсный адаптер 10. Альтернативно перевод в режим калибровки и управление калибровкой осуществляется локально с простейшей клавиатуры, подключаемой вместо интерфейсного адаптера. Процедура проводится при калибровке на производстве и в процессе периодической калибровки.
Интерфейсный адаптер позволяет удалённо собирать данные и осуществлять контроль/калибровку газоанализатора.
Факторами, повышающими точность устройства, являются использование единого опорного резистора и общего для двух элементов датчика уровня стабилизируемого напряжения, что позволяет исключить погрешность, возникающую в контуре стабилизации в случае различных уровней. При этом влияние на точность измерения концентрации газа различия температур чувствительного и компенсационного элементов, возникающее из-за технологического разброса сопротивлений подогревателей чувствительного и компенсационного элементов датчика исключается, как и различие коэффициентов теплопроводности элементов данным способом измерения.