ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения содержания фтора и фтористого водорода в воздухе или ином газе.

В газоанализаторах широкое распространение получили электрохимические чувствительные элементы в виде пленочного твердоэлектролитного газочувствительного слоя, нанесенного на подложку, с обратной стороны снабженную нагревателем (см. патент США N 4338281, G 01 N 27/04, 1982).

Чувствительный элемент обычно выполняется с контактами, включенными в цепь источника постоянного напряжения. Проводимость газочувствительного слоя зависит от концентрации фтора в окружающей среде. Нагреватель подключается к блоку питания (см. патент США N 5104513, G 01 N 27/407, 1992).

Однако, использование подобных чувствительных элементов для анализа фтора затруднено их низким быстродействием (времена отклика и релаксации измеряются минутами и даже десятками минут).

Кроме того, к недостаткам известного газоанализатора следует отнести нелинейность, узкий динамический диапазон, недостаточную точность вследствие сильного влияния влажности и скорости потока воздуха на показания прибора.

Наиболее близким к предложенному газоанализатору является прибор, описанный в ЕПВ N 0421672, G 01 N 27/406, 1990. Это устройство содержит источник напряжения, чувствительный элемент в виде циркониевой подложки с пористыми электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, датчики температуры и давления, два мультиплексора, усилитель, делитель напряжения, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, блок индикации и центральный процессор.

Этому газоанализатору свойственны все вышеперечисленные недостатки, кроме нелинейности: линеаризация характеристики осуществляется в процессоре. Однако наличие процессора и двух преобразователей приводит к усложнению устройства и дополнительному снижению точности.

Таким образом техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение быстродействия, точности и линейности газоанализатора, а также расширение его динамического диапазона при сохранении простоты и надежности в работе.

Указанный результат достигается тем, что известный газоанализатор, содержащий источник напряжения, твердоэлектролитный чувствительный элемент с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, усилитель, блок индикации и мультиплексор, снабжен двумя сумматорами, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, источник напряжения выполнен в виде источника постоянного напряжения и генератора, при этом выходы источника постоянного напряжения и генератора подключены к информационным входам мультиплексора, выходы которого соединены со входами первого сумматора, выход которого соединен со входом питания чувствительного элемента, выход которого соединен со входом усилителя, выход которого подключен к первому входу второго сумматора и информационному входу блока памяти, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора и первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, выход блока деления соединен со входом блока линеаризации, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, а выходы блока управления подключены к соответствующим входам мультиплексора, блока индикации и блока памяти.

Целесообразно также второй информационный вход блока индикации соединить с выходом блока деления.

При этом усилитель может быть выполнен с выходным синхронным детектором, вход синхронизации которого подключен к тактовому выходу генератора.

Кроме того соединение выходов усилителя и синхронного детектора с объединенными входами второго сумматора и блока памяти может быть осуществлено через второй мультиплексор, вход управления которого соединен с соответствующим выходом блока управления.

Можно также четвертый выход блока управления подключить к управляющему входу блока линеаризации.

Кроме того, в качестве материала газочувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, использован твердый раствор на основе трифторида лантана, легированный дифторидом стронция с концентрацией 4,35 9,64 мол.

И, наконец, толщина газочувствительного слоя может составлять 0,12-0,72 мкм.

На чертеже представлена функциональная схема газоанализатора, который включает источник 1 постоянного напряжения, генератор 2 переменного напряжения и\или импульсов, мультиплексор 3, сумматор 4, регулятор 5 температуры, чувствительный элемент 6, регулятор 7 побудителя смеси 8, усилитель 9, блок 10 деления, сумматор 11 (блок вычитания), блок 12 памяти, блок 13 линеаризации, блок 14 индикации и блок 15 управления. Усилитель 9 может быть также выполнен с выходным синхронным детектором 16, обеспечивающим работу последующих блоков на постоянном токе. Переключение осуществляется мультиплексором 17. Показаны два выхода генератора 2, хотя их может быть и больше: генератор 2 формирует напряжения различной частоты.

Коэффициент передачи блока 13 зависит от входного сигнала таким образом, чтобы устранить нелинейность зависимости последнего от содержания фтора в анализируемой смеси. Блок 13 может быть выполнен в виде кусочно-линейного аппроксиматора, обратного логарифмического преобразователя или последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, дешифратора и аналого-цифрового преобразователя.

Выполнение остальных блоков устройства может быть таким же как в известном газоанализаторе или других аналогичных приборах. В частности, блок 15 может быть выполнен автоматическим или полуавтоматическим, так что переключение режима работы мультиплексора 3, синхронизация блока 12, синхронизация и\ или вывод информации о режиме в блоке 14 и переключение или подстройка блока 13 производится оператором с помощью соответствующего пульта или просто набора тумблера и регуляторов.

В отличие от известных чувствительных элементов, в предложении газочувствительный слой представляет собой тонкую пленку, напыленную на подложку в вакууме.

Газоанализатор работает следующим образом.

Анализируемая смесь побудителем 8 подается на элемент 6, на поверхности которого происходит разложение фтора или фтористого водорода. При этом в твердом электролите возникают фтор-ионы, дрейфующие под действием приложенного напряжения к положительному электроду. В результате величина тока в цепи источника 1 и/или генератора 2 является мерой содержания фтора в смеси.

На выходе элемента 6 устанавливается преобразователь тока в напряжение (или напряжения в ток, если запитка элемента 6 осуществляется стабильным током). В отличие от известных приборов, питание элемента 6 может осуществляться не только постоянным или высокочастотным сигналом или суммой переменного и постоянного напряжений (в последнем случае амплитуда переменного сигнала составляет 0,1-0,8 от величины постоянного).

В блоке 12 хранится нулевое значение выходного сигнала усилителя 11 (в отсутствие фтора в анализируемой смеси), фиксируемое блоком 12 по сигналу с выхода блока 15. Установка нулевого значения может производиться один раз за смену или каждый раз перед замером. В качестве блока 12 можно воспользоваться блоком выборки-хранения или последовательно соединенными цифро-аналоговым преобразователем, регистром и аналого-цифровым преобразователем. При этом тактовый вход регистра соединяется с управляющим входом блока 12.

В блоке 11 из текущего информационного сигнала вычитается упомянутый нулевой сигнал, а в блоке 10 полученная разность делится на нулевой сигнал. Частное от деления поступает на вход блока 13 или непосредственно на вход блока 14 (как правило, это целесообразно при запитке элемента 6 переменным напряжением или в случае отсутствия информации о градуировочной зависимости в блоке 13).

Описанная схема преобразования информационного сигнала обеспечивает расширение динамического диапазона и линеаризацию выходного сигнала простейшими средствами. В то же время, использование поочередной запитки постоянным и переменным напряжениями, только переменного напряжения или применение смешанного сигнала позволяет отстроиться от ряда мешающих факторов, в частности нестабильности электродных потенциалов, а также получить дополнительную информацию, которая может быть использована для повышения точности и достоверности результата измерения, например, путем усреднения замеров в блоке 14.

При этом мультиплексор 17 обеспечивает переход от одного режима к другому (на переменном токе используется выход детектора 16, а на постоянном - усилителя 9).

Реализации указанных преимуществ, а также повышению чувствительности и, главное, быстродействия газоанализатора способствует также вышеописанный выбор материала газочувствительного слоя элемента 6. При этом достигается высокая фтор-ионная проводимость по вакансионному механизму и низкая температура плавления подрешетки фтора (80-120^oC). Снижение же рабочей температуры элемента 6 позволяет не только упростить устройство и уменьшить потребление энергии, что весьма важно для носимых приборов с автономными источниками питания, но и снизить влияние нестабильности расхода анализируемой смеси.

Экспериментальная проверка показала, что прибор способен измерять концентрацию фтора от 0.1 до 1000,0 ppm, причем время установления составляет 180 с, а время релаксации не превышает 5 мин при концентрации фтористого водорода 0,5 ppm без учета транспортного запаздывания.

Использование: количественное определение фтора. Сущность изобретения: газоанализатор содержит источник напряжения, твердоэлектролитный чувствительный элемент с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, усилитель, блок индикации и мультиплексор, он снабжен также двумя сумматорами, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, а источник напряжения выполнен в виде источника постоянного напряжения и генератора. В качестве материала газочувствительного слоя чувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, использован твердый раствор на основе трифторида лантана, легированный дифторидом стронция с концентрацией 4,35 - 9,64 мол.%. Толщина газочувствительного слоя составляет 0,12-0,72 мкм. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газоанализатор, содержащий источник напряжения, твердоэлектролитный чувствительный элемент с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, усилитель, блок индикации и мультиплексор, отличающийся тем, что он снабжен двумя сумматорами, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, источник напряжения выполнен в виде источника постоянного напряжения и генератора, при этом выходы источника постоянного напряжения и генератора подключены к информационным входам мультиплексора, выходы которого соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом питания чувствительного элемента, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу второго сумматора и к информационному входу блока памяти, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора и первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, выход блока деления соединен с входом блока линеаризации, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, а выходы блока управления подключены к соответствующим входам мультиплексора, блока индикации и блока памяти. 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что второй информационный вход блока индикации соединен с выходом блока деления. 3. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу блока линеаризации. 4. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала газочувствительного слоя чувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, использован твердый раствор на основе трифторида лантана, легированный дифторидом стронция с концентрацией от 4,35 до 9,64 мол. 5. Газоанализатор по п. 4, отличающийся тем, что толщина газочувствительного слоя составляет 0,12 0,72 мкм.