ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1995 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик концентрации газов в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения концентрации газов (патент США N 4347732, кл. G 01 N 27/12, 1982), в которых на кремниевой опорной подложке создается электрически изолирующая поверхность, на которой на некотором расстоянии друг от друга расположена пара электродов. На этой же поверхности, соединяя электроды друг с другом, расположен датчик, состоящий из пленки окиси цинка с добавками галлия. При воздействии газа на датчик происходит изменение его сопротивления, которое преобразуется в напряжение. На поверхности датчика расположено молекулярное сито, сделанное из пористого твердого материала, размеры пор которого не превышают размеры молекул того газа, который нужно определить.

Недостатками таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, обусловленные температурной зависимостью ионизированного адсорбиро- ванного кислорода поверхностью датчика, особенно в области температур ниже 200^оС, так как адсорбированный ионизированный кислород химически взаимодействует с газами и эта реакция приводит к увеличению или уменьшению сопротивления датчика.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать газовый датчик (Г.Виглеб. Датчики. М.: Мир, 1989, с. 103-104). Он состоит из керамической трубочки, нагреваемой изнутри тонкой проволокой. На поверхность трубочки нанесен активный полупроводниковый слой с электродами. Активный слой состоит из окиси олова или окиси цинка с различными добавками, которые выбираются в зависимости от природы определяемого газа. Весь датчик защищен проволочной сеткой из нержавеющей стали от механических повреждений. Датчик нагревается напряжением, приложенным к концам тонкой проволоки, до температуры свыше 200^оС. Второй источник напряжения создает ток в цепи, состоящей из последовательного соединения сопротивления активного слоя датчика и нагрузочного сопротивления.

Величина падения напряжения на нагрузочном сопротивлении зависит от величины тока, протекающего через него. В свою очередь, величина нагрузочного тока зависит от воздействия газа на активный слой датчика. Таким образом, изменение концентрации газа, воздействующего на активный слой датчика, приводит к изменению его сопротивления, а следовательно и к изменению падения напряжения на нагрузочном сопротивлении.

Недостатками этого устройства являются низкая чувствительность и точность измерения концентрации газов, обусловленные тем, что изменение сопротивления датчика зависит от количества накопленных или исчезнувших с поверхности активного слоя электронов в результате химических реакций взаимодействия газа с датчиком. Таким образом, при малых концентрациях газа (≈ 10^-4% ) и невысоких температурах (< 200^оС) процессы накопления или исчезновения электронов в активном слое датчика будут незначительны, что приводит к незначительным изменениям сопротивления, а это, в свою очередь, резко снижает чувствительность и точность измерения концентрации газов.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и точности измерения.

На чертеже представлен предлагаемый газовый датчик.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве преобразование сопротивления в напряжение заменяется в предлагаемом изобретении преобразованием сопротивления в частоту, для чего известный датчик, представляющий собой регулируемое газом сопротивление, включается в цепь базы биполярного транзистора последовательно с пассивной индуктивностью. При этом биполяpный транзистор включается по схеме с общей базой при коротком замыкании по переменному току коллектора с базой при помощи конденсатора. В этом случае на зажимах эмиттер-база возникает полное сопротивление с индуктивным характером и отрицательной активной составляющей за счет положительной обратной связи, созданной за счет пассивной индуктивности в цепи базы. Подключение емкости к зажимам эмиттер-база, когда в цепь базы включена последовательная цепочка с регулируемым газом сопротивлением и пассивной индуктивностью, создает колебательный контур с незатухающими синусоидальными колебаниями тока. Таким образом, в предлагаемом изобретении небольшое изменение сопротивления под действием газа преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения концентрации газа.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию существенных отличий. Совокупность признаков неизвестных ранее появляется за счет использования индуктивной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора, причем значение индуктивности управляется величиной внешнего базового сопротивления, которым является активный слой газового датчика. Заявляемого техническое решение позволяет получить положительный эффект при подключении емкости к зажимам эмиттер-база биполярного транзистора в результате чего образуется колебательный контур, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего в результате положительной обратной связи в цепи эмиттер- база-коллектор, усиленной за счет включения пассивной индуктивности в цепь базы биполярного транзистора. Это позволяет получить резкую зависимость резонансной частоты колебательного контура от изменения индуктивной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора за счет воздействия газа на сопротивление активного слоя датчика, включаемого в цепь базы транзистора, что повышает чувствительность и точность измерения концентрации определяемого газа. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию существенных отличий.

Газовый датчик содержит источник 1 контролируемого газа, воздействующего на сопротивление 4 активного слоя газочувствительного элемента, включенного в цепь базы биполярного транзистора 2 последовательно с пассивной индуктивностью 3, усиливающей эффект обратной положительной связи в цепи эмиттер-база-коллектор биполярного транзистора 2. Конденсатор 5, включенный параллельно полному сопротивлению с индуктивным характером на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора 2, образует совместно с индуктивностью полного сопротивления колебательный контур. Конденсатор 6 создает короткое замыкание по переменному току в цепи коллектор-база транзистора 2. Источник постоянного напряжения 7 осуществляет питание цепи коллектор-база, а источник 8 - питание цепи эмиттер-база биполярного транзистора 2. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 5 и общей шиной (фиг. 1).

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени газ не подается на сопротивление 4 активного слоя газочувствительного элемента, включенного последовательно с пассивной индуктивностью 3 в цепь базы биполярного транзистора 2. Повышением напряжения источника 7 в цепи коллектора и источника 8 в цепи эмиттера биполярного транзистора 2 в колебательном контуре, образованном индуктивностью полного сопротивления на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора 2 и емкостью 5, возникают синусоидальные электрические колебания за счет отрицательного сопротивления, в результате действия положительной обратной в цепи коллектор-эмиттер биполярного транзистора 2. Пассивная индуктивность 3 служит для усиления обратной положительной связи и регулирует величину отрицательного сопротивления, компенсирующего потери энергии в колебательном контуре. При последующей подаче газа из источника 1 происходит изменение сопротивления газочувствительного элемента 4, включенного в цепь базы биполярного транзистора 2, что, в свою очередь, приводит к изменению индуктивной составляющей полного сопротивления на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора 2. Изменение величин индуктивности колебательного контура, образованного конденсатором 5 и индуктивностью полного сопротивления на зажимах эмиттер-база биполярного транзистора 2, приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура. Таким образом, изменение концентрации газа, воздействующего на сопротивление газочувствительного элемента, преобразуется в изменение резонансной частоты. Выходом газового датчика служит первая обкладка конденсатора 5 и общая шина.

Использование предлагаемого датчика для измерения концентрации газов по сравнению с прототипом повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения индуктивного элемента колебательного измерительного контура на основе биполярного транзистора, причем величина индуктивности контура управляется изменением газочувствительного сопротивления, включенного в цепь базы биполярного транзистора, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты на выходе, а также за счет реальной возможности минеаризации функции преобразования путем выбора напряжений на выходе источников 7 и 8.

Использование: контрольная техника, например датчик концентрации газов в различных устройствах. Сущность: для увеличения чувствительности и точности измерений газочувствительный резистор включается в цепь базы биполярного транзистора последовательно с индуктивностью, служащей для создания отрицательного сопротивления в биполярном транзисторе. Параллельно к этой цепи подключается конденсатор, образующий с индуктивностью и полным сопротивлением транзистора колебательный контур. К коллектору и базе транзистора подключен конденсатор для создания короткого замыкания по переменному току. При подаче газа на газочувствительный резистор в результате хемосорбции молекул газа изменяется сопротивление газочувствительного материала, что приводит к изменению индуктивной составляющей полного сопротивления биполярного транзистора и вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура. 1 ил.

ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК, содержащий газопровод для подачи газа, на выходе которого установлен газочувствительный элемент, электрически связанный с первыми полюсами двух источников электропитания, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения, в него введены биполярный транзистор, катушка индуктивности, первый и второй конденсаторы, причем к эмиттеру биполярного транзистора подключены второй полюс второго источника электропитания и первый вывод первого конденсатора, к которому подключена первая выходная клемма, к коллектору биполярного транзистора подключены второй полюс первого источника электропитания и первый вывод второго конденсатора, базовый вывод биполярного транзистора соединен с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с вторым электродом газочувствительного элемента, второй электрод которого соединен с вторым электродом первого конденсатора и вторым электродом второго конденсатора, которые образуют общую шину, связанную с второй выходной клеммой.