ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2005 года по МПК G01N27/417 

Изобретение относится к области контроля состава газовых смесей, содержания газов в жидкостях и может быть использовано преимущественно для измерения концентрации анализируемых газов в атмосфере производственных цехов промышленных предприятий, например в помещениях под защитной оболочкой атомных электростанций (АЭС), и для контроля содержания газов в жидкометаллических теплоносителях.

Известны газоанализаторы на основе полупроводниковых сенсоров, использующих в качестве чувствительных элементов спеченные оксиды металлов, сопротивление которых изменяется под действием контролируемого газа [1]. К недостаткам таких газоанализаторов следует отнести разброс характеристик сенсоров и необходимость их индивидуальной градуировки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является газоанализатор на основе твердоэлектролитного сенсора по а.с. SU 1187062. Газоанализатор содержит твердоэлектролитную ячейку, соединенную с измерительным устройством и помещенную внутри обогреваемой рабочей камеры.

Недостатком указанного устройства является прямое подключение электродов твердоэлектролитной ячейки ко входам измерительного устройства, приводящее к недопустимо высокой погрешности измерения сигнала сенсора при ухудшении качества изоляции линии связи.

Особенностью твердоэлектролитных сенсоров является их высокое внутреннее сопротивление, составляющее десятки и сотни килоом при рабочих температурах. Для измерения ЭДС такого сенсора с достаточной точностью сопротивление изоляции линии связи должно быть на 2-3 порядка выше, т.е. составлять десятки и сотни мегаом, что трудно обеспечить в условиях промышленной эксплуатации сенсоров при наличии высоких температур и агрессивных сред. Так, например, газоанализаторы водорода и кислорода под герметичной оболочкой АЭС должны сохранять свои основные технические характеристики при окружающих температурах до 200-250°С. При таких температурах не могут работать полупроводниковые измерительные преобразователи, обычно используемые в качестве предусилителей, и сигнал от сенсора приходится передавать по кабельной линии связи протяженностью более 100 метров к измерительным устройствам, находящимся за пределами герметичной оболочки. Изоляция даже высокотемпературных кабелей при таких длинах и рабочих температурах оказывается недостаточной для передачи сигнала без потерь от сенсора к измерительному устройству. Кроме того, токовая нагрузка на сенсор ведет к деградации его характеристик.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение высокой точности измерения ЭДС сенсора в условиях ухудшения сопротивления изоляции линии связи, причем допустимая величина сопротивления изоляции может быть соизмерима с собственным внутренним сопротивлением сенсора.

Указанная цель может быть достигнута, если сенсор будет работать практически без токовой нагрузки, в режиме холостого хода, даже при низких сопротивлениях изоляции электродов внутри сенсора и проводов линии связи.

Для достижения поставленной цели в конструкцию сенсора введен охранный электрод, представляющий собой коаксиальную электропроводную оболочку, внутри которой проходит потенциальный вывод электрода сравнения, а сам охранный электрод окружен снаружи внешней электропроводной оболочкой, подключенной к измерительному электроду. Линия связи сенсора с измерительным устройством выполнена в виде коаксиального двухоболочечного кабеля. Измерительная схема представляет собой операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого через центральный проводник кабеля линии связи подключен потенциальный вывод электрода сравнения, инвертирующий вход через внутреннюю экранную оболочку кабеля подключен к охранному электроду, а через линию обратной связи - к выходу усилителя. Потенциальный вывод измерительного электрода через внешнюю экранную оболочку кабеля соединен с нулевой точкой измерительной схемы, а измеритель сигнала подключен между нулевой точкой измерительной схемы и выходом операционного усилителя.

Предложенная конструкция сенсора и работа его измерительной схемы поясняются рисунками, приведенными на фиг 1 и фиг 2.

Сенсор состоит из твердоэлектролитной ячейки 1, на которую с внешней стороны, обращенной к анализируемой газовой смеси, нанесен измерительный электрод 2 из пористого металла, проницаемого для газа. С внутренней стороны ячейка 1 находится в контакте с электродом сравнения 3, в качестве которого обычно используются легкоплавкие металлы в смеси с их окислами. Электрический контакт с измерительным электродом 2 обеспечивается с помощью потенциального вывода 6, а с электродом сравнения 3 - потенциальным выводом 4. Потенциальный вывод 4 измерительного электрода 3 окружен охранным электродом 5, выполненным в виде электропроводной коаксиальной оболочки. Сам охранный электрод 5 заключен внутри наружной электропроводной оболочки 6, являющейся потенциальным выводом измерительного электрода 2. Охранный электрод 5 изолирован от потенциальных выводов 4 и 6 изоляторами 7. В целом потенциальные выводы 4 и 6, а также охранный электрод 5 представляют собой коаксиальную двухоболочечную конструкцию, которая электрически соединена с коаксиальным кабелем, имеющим две экранные оболочки 9 и 10 и центральный проводник 8. Центральный проводник 8 через потенциальный вывод 4 соединен с электродом сравнения 3, внутренняя оболочка 9 - с охранным электродом 5, а наружная экранная оболочка 10 - с потенциальным выводом 6 измерительного электрода 2.

Коаксиальный кабель выполняет функцию линии связи сенсора с измерительной схемой, которая выполнена на основе операционного усилителя 11. К неинвертирующему входу 12 усилителя 11 подключен центральный проводник 8 кабеля линии связи, к инвертирующему входу 13 - внутренняя экранная оболочка 9, а наружная оболочка 10 кабеля соединена с нулевой точкой 16 измерительной схемы.

Усилитель 11 охвачен цепью отрицательной обратной связи с выхода 14 на инвертирующий вход 13, измерительный прибор 15 выходного напряжения сенсора включен между выходом 14 операционного усилителя 11 и нулевой точкой 16 измерительной схемы.

Принцип действия сенсора заключается в преобразовании концентрации измеряемого газа в величину ЭДС, которую необходимо передать через линию связи на измерительную схему с измерительным прибором на выходе, причем величина ЭДС должна быть измерена с высокой точностью как при высоком качестве изоляции кабеля и внутренних изоляторов сенсора, так и при ухудшении изоляции до величин, соизмеримых с внутренним сопротивлением твердоэлектролитной ячейки 1.

Работа предложенного устройства поясняется его эквивалентной электрической схемой, приведенной на фиг.2, и конструктивной схемой, приведенной на фиг.1. Сенсор генерирует ЭДС, величина которой пропорциональна концентрации измеряемого газа. Через коаксиальный кабель, состоящий из центрального проводника 8, внутренней экранной оболочки 9 и наружной экранной оболочки 10, ЭДС сенсора поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 11. Твердоэлекролитная ячейка сенсора имеет собственное внутреннее сопротивление R_с, сопротивление изоляции центрального проводника 8 кабеля относительно внутреннего экрана 9 и охранного электрода 5 - R1, а сопротивление внутреннего экрана 9 и охранного электрода 5 относительно внешнего экрана 10 кабеля - R2.

Для иллюстрации отличия работы предложенной измерительной схемы от известной на эквивалентной схеме фиг.2 введен выключатель SA, отключающий инвертирующий вход усилителя 11 от внутреннего экрана 9 и, соответственно, охранного электрода 5.

Так как сопротивления изоляции R1 и R2 конечны, то через твердоэлектролитную ячейку под действием ЭДС сенсора течет ток I_с по цепи Е_с - R_с - R1 - R2 - Е_с. По закону Ома величина этого тока для всей цепи и отдельных ее участков определяется выражением

где U₂ - напряжение между центральным проводником кабеля и нулевой точкой 16 измерительной схемы, U₁ - напряжение между внутренним экраном 9 кабеля (охранным электродом 5) и нулевой точкой 16 измерительной схемы.

Для точного измерения ЭДС Е_с необходимо, чтобы напряжение U₂ было равно или максимально близко к Е_с. Тогда и выходное напряжение U_вых усилителя 11 будет равно Е_с при прямом соединении выхода усилителя 11 с его инвертирующим входом, как показано на фиг 2. Если выход усилителя 11 соединить с его инвертирующим входом через делитель напряжения, то на выходе усилителя напряжение будет больше U₂, коэффициент усиления будет определяться соотношением сопротивлений делителя.

Очевидно, что U₂ меньше Е_c на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении R_c сенсора от тока I_с.

Из (2) следует, что если I_с=0, то U₂=E_c. Из (1) видно, что I_с может быть равным или близким нулю, если U₂-U₁ равно или близко к нулю при конечном значении R1.

В известных измерительных схемах при плохих сопротивлениях изоляции это условие невыполнимо, что можно показать на числовом примере. Пусть Е_с=500 мВ, R_c=100 кОм, R1=90 кОм, R2=10 кОм, тогда из (1):

а из (2):

т.е. напряжение, поступающее на измерительную схему при приведенных в примере сопротивлениях изоляции, составляет только половину ЭДС сенсора.

Если теперь на схеме фиг 2 включить выключатель SA. т.е. соединить внутренний экран 9 кабеля (и соответственно охранный электрод 5) с инвертирующим входом усилителя 11, то в соответствии с характеристикой операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, напряжение между инвертирующим 13 и неинвертирующим 12 входами операционного усилителя 11 станет примерно равным напряжению смещения нуля (U_см0). У современных инструментальных операционных усилителей U_см0 составляет величину 0,1 мВ и менее. Таким образом, при подключении охранного электрода 5 через внутренний экран 9 кабеля к инвертирующему входу 13 операционного усилителя 11, охваченного отрицательной обратной связью, разность напряжений U₂ и U₁ между центральным проводником 8 кабеля и его внутренним экраном 9 станет равной или менее 0,1 мВ. Подставив это значение в (1) при ранее принятых в числовом примере сопротивлениях изоляции, получим:

а из (2):

т.е. напряжение U₂ отличается от ЭДС всего на 0,02%, в то время как в известной схеме из ранее рассмотренного числового примера погрешность составляет 50%.

Из рассмотренного примера видно, что использование охранного электрода и соответствующее его подключение к измерительной схеме позволяет снизить ток утечки сенсора по изоляции на 3-4 порядка. Из этого же примера видно, что ток через сопротивление изоляции между охранным электродом и внешними экранными оболочками сенсора и кабеля будет составлять величину , но этот ток является только дополнительным током нагрузки усилителя 11 и не оказывает никакого влияния на выходное напряжение усилителя 11, которое повторяет входное напряжение U₂ и, соответственно, ЭДС сенсора Е_c с высокой точностью.

Таким образом, введение в конструкцию сенсора охранного электрода и использование в качестве линии связи коаксиального двухоболочечного кабеля, а в качестве измерительной схемы - операционного усилителя с отрицательной обратной связью и подключение к инвертирующему входу усилителя через внутренний экран кабеля охранного электрода позволяет обеспечить высокие метрологические характеристики газоанализаторов при тяжелых условиях эксплуатации, когда невозможно поддерживать высокое сопротивление изоляции сенсора и линии связи.

Литература

1. П.М.Таланчук и др. Полупроводниковые и твердоэлектролитные сенсоры. "Техника", Киев, 1992, стр.144.

Использование: изобретение относится к средствам контроля газов на основе твердоэлектролитных ячеек и может быть использовано для измерения концентрации газов в атмосфере помещений промышленных предприятий и концентрации газов в жидкостях, в том числе водяных и жидкометаллических теплоносителях. Сущность изобретения: газоанализатор содержит твердоэлектролитную ячейку с измерительным электродом и электродом сравнения, линию связи в виде коаксиального двухоболочечного кабеля и операционный усилитель с измерительным прибором на выходе. Потенциальный вывод электрода сравнения окружен охранным электродом в виде коаксиальной электропроводной оболочки, помещенной внутри внешней электропроводной оболочки, соединенной с измерительным электродом, центральный проводник кабеля соединен с электродом сравнения и неинвертирующим входом операционного усилителя, внутренняя оболочка кабеля соединена с охранным электродом и инвертирующим входом операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, а измерительный электрод через внешнюю экранную оболочку кабеля подключен к нулевой точке измерительной схемы. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой точности измерения ЭДС сенсора в условиях ухудшения сопротивления изоляции линии связи. 2 ил.

Газоанализатор, содержащий чувствительный элемент в виде твердоэлектролитной ячейки с измерительным электродом и электродом сравнения, потенциальные выводы которых через линию связи подключены к измерительной схеме, отличающийся тем, что потенциальный вывод электрода сравнения окружен охранным электродом, выполненным в виде электропроводной коаксиальной внутренней оболочки, размещенной внутри внешней электропроводной оболочки, соединенной с измерительным электродом, причем внутренняя и внешняя оболочки изолированы друг от друга и потенциального вывода электрода сравнения, линия связи выполнена в виде коаксиального кабеля, содержащего центральный проводник, внутреннюю и внешнюю экранные оболочки, а в качестве измерительной схемы используется операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого через центральный проводник коаксиального кабеля подключен потенциальный вывод электрода сравнения, инвертирующий вход усилителя через внутренний экран кабеля соединен с охранным электродом, а через цепь отрицательной обратной связи - с выходом усилителя, потенциальный вывод измерительного электрода через внешнюю оболочку кабеля соединен с нулевой точкой измерительного схемы, а измеритель сигнала включен между выходом усилителя и нулевой точкой измерительной схемы.