ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к конструкциям малогабаритных датчиков для измерения концентрации горючих газов в окружающей среде.

Известны термохимические газоанализаторы [1. Каталог. ВНИИ информации и экономики Минприбора СССР. Приборы и средства автоматизации. Часть 1.3. Приборы для определения состава и свойств газов, жидкостей, твердых и сыпучих веществ. М. 1987 г., с.9 - 10; 2. А.С. СССР N 1767405, кл. G 01 N 27/16. Термохимический датчик, 07.10.92, Бюл. N 37; 3. Г.К.Борисов. Катализ. Вопросы теории и практики. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение. 1987, с. 158] , содержащие две идентичные платиновые спирали, каждая из которых заключена в пористом носителе, один из которых покрыт катализатором (рабочий чувствительный элемент), а другой не покрыт (сравнительный чувствительный элемент). Оба чувствительных элемента включены в мостовую схему, при этом с использованием сравнительного чувствительного элемента осуществляется компенсация изменений температуры окружающей среды.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция термохимического газоанализатора [Справочник. Методы и приборы для определения водорода (газовый анализ). А.А.Аманназаров и др. 1985, с. 68], содержащая чувствительный элемент в виде спирали, соединенной с проволочными выводами и заключенной внутри пористого носителя, обработанного катализатором, и установленной в держателе.

Держатель установлен в более чувствительных элементах, в которых помимо рабочего чувствительного элемента, обработанного катализатором, расположен сравнительный (компенсационный) чувствительный элемент, не обработанный катализатором.

Через рабочий и сравнительный чувствительные элементы пропускаются измерительный ток для выделения полезного сигнала в присутствии регистрируемого газа.

Недостатком конструкции являются сложность аппаратурной реализации и ограниченная надежность ввиду применения двух чувствительных элементов - рабочего и сравнительного, функционирующих при повышенных значениях измерительного тока, служащего также для нагрева обоих чувствительных элементов до высоких рабочих температур (до 400^oС). В результате при типичных для термохимических газоанализаторов значений измерительного тока в десятки и сотни mA плотность тока в спиралях чувствительных элементов и проволочных выводах может превышать допустимые значения.

Техническим результатом изобретения является упрощение аппаратурной реализации и повышение надежности устройства.

Результат достигается тем, что в термохимическом газоанализаторе, содержащем чувствительный элемент в виде спирали, соединенной с проволочными выводами и заключенной внутри пористого носителя, обработанного катализатором, и установленной в держателе, в качестве держателя используется диэлектрическая подложка с отверстием и контактными площадками, к которым прикреплены проволочные выводы чувствительных элементов, а чувствительные элементы располагаются над отверстием, причем на участке диэлектрической подложки между отверстиями и ее боковыми кромками выполнен пленочный нагреватель по меньшей мере с двумя пленочными контактами.

Конструкция датчика представлена на чертеже.

Устройство содержит чувствительный элемент 1 в виде спирали, соединенной с проволочными выводами 2 и 3, прикрепленными к пленочным контактам 4, 5, выполненным на держателе - диэлектрической подложке 6. Чувствительный элемент 1 располагается над отверстием 7, центр которого совпадает с центром диэлектрической подложки 6.

На поверхности подложки 6 вдоль ее кромок 8 выполнен пленочный нагреватель в форме круглой петли 9 с пленочными контактами 10. На пленочном нагревателе 9 выполнен защитный диэлектрический слой (на фиг. не показан).

Диэлектрическая подложка 6 устанавливается на промежуточную прокладку 11, в которой выполнено сквозное отверстие диаметром D₀ и с центром, совпадающим с центром подложки, причем D₀ ≥ d_п (d_п - диаметр отверстия в подложке 6).

Пленочный нагреватель может также выполняться в форме незамкнутой рамки. В этом случае контактные площадки 4 и 5 могут быть выполнены во внутренней области нагревателя вблизи внутренних кромок противолежащих по диагонали углов.

Датчик работает следующим образом.

Нагреватель, подключенный к блоку термостабилизации (на фиг. не показан), формирует заданную температуру T_п подложки.

Значение T_п выбирается из условия T_п ≥ T_max (T_max - максимальная температура окружающей среды). При фиксированном значении T_п рабочая температура T_р чувствительного элемента достигается за счет протекания через него измерительного тока I_и, величина которого однозначно определяется параметрами конструкции и сопротивлением нагревателя.

В отсутствие горючего газа температура чувствительного элемента равна T_р, а падение напряжения U₀ на нем определяется выражением
U_o= I_и•R_o[1+β(T_p-T_o)],
(β - температурный коэффициент сопротивления спирали чувствительного элемента).

При наличии регистрируемого газа в окружающем воздухе на чувствительном элементе происходит каталитическая реакция с выделением тепла, в результате чего его температура повышается. Приращение температуры ΔT, пропорциональное концентрации регистрируемого горючего газа, приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента на величину ΔR, что соответственно приведет к изменению падения напряжения на нем на величину ΔU = I_и•ΔR.
Изменение напряжения на чувствительном элементе в зависимости от концентрации регистрируемого газа фиксируется схемой обработки сигнала (на фиг. не показана).

Ввиду независимости измерительного тока I_и от температуры T_о окружающей среды упрощается аппаратурная реализация за счет упрощения электрической схемы обработки сигнала и исключается необходимость применения компенсационного чувствительного элемента.

В заявляемой конструкции необходимая рабочая температура чувствительного элемента формируется при меньших значениях I_и (за счет нагрева подложки пленочным нагревателем), что повышает надежность устройства.

Надежность устройства повышается также за счет применения промежуточной диэлектрической прокладки с отверстием, что повышает тепловое сопротивление нагревателя и снижает потребляемую им мощность. Кроме того, надежность устройства повышается за счет использования только одного - рабочего чувствительного элемента.

В заявляемой конструкции достигается высокая равномерность температуры в объеме отверстия диэлектрической подложки (держателя) благодаря исключению теплопередачи за счет теплопроводимости в направлении к центру подложки, что позволяет обеспечить необходимую точность измерений.

Термохимический газоанализатор содержит чувствительный элемент в виде спирали, соединенной с проволочными выводами и заключенной внутри пористого носителя, обработанного катализатором, и установленной в держателе. В качестве держателя используется диэлектрическая подложка с пленочныим контактами, к которым прикрепляются проволочные выводы чувствительного элемента. Чувствительный элемент расположен над отверстием, выполненным в диэлектрической подложке. На участке диэлектрической подложки между отверстием и ее боковыми кромками выполнен пленочный нагреватель по меньшей мере с двумя пленочными контактами. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Термохимический газоанализатор, содержащий чувствительный элемент в виде спирали, соединенной с проволочными выводами и заключенной внутри пористого носителя, обработанного катализатором, и установленной в держателе, отличающийся тем, что в качестве держателя используется диэлектрическая подложка с пленочными контактами, к которым прикрепляются проволочные выводы чувствительного элемента, причем чувствительный элемент располагается над отверстием, выполненным в диэлектрической подложке, а на участке диэлектрической подложки между отверстием и ее боковыми кромками выполнен пленочный нагреватель по меньшей мере с двумя пленочными контактами. 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка установлена на основании через промежуточную теплоизолирующую прокладку с отверстием, центр которого совпадает с центром отверстия в диэлектрической подложке. 3. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в форме круглой петли. 4. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в форме незамкнутой петли. 5. Газоанализатор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что пленочный нагреватель одновременно выполняет функцию терморезистора.