ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2005 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может найти применение при контроле паров вредных веществ, в частности аммиака в воздухе.

Известны газоанализаторы, содержащие датчик концентрации измеряемого компонента, выполненный в виде электрохимического сенсора, сообщающегося с контролируемым газом (воздухом), и устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой, включающее программируемый микроконтроллер (см. Hazardous Gas Monitors-A Practical Guide to Selection, Operation and Application, Jack Chou, McGraw-Hill, New York, 1999).

Недостатком всех известных газоанализаторов для контроля аммиака в воздухе, использующих электрохимический датчик, является то, что электрохимический датчик содержит рабочее вещество, расходуемое при химической реакции, протекающей в датчике при взаимодействии его с аммиаком, в процессе эксплуатации газоанализатора. По этой причине для такого типа датчиков существует предел суммарной экспозиции (произведение концентрации аммиака на продолжительность воздействия этой концентрацией на датчик), выход за который фактически делает газоанализатор неработоспособным.

Так, например, фирма City Technology (Великобритания) выпускает электрохимические датчики аммиака, которые имеют максимальную экспозицию от нескольких сотен до нескольких тысяч ppm^x часов (см. Каталог фирмы City Technology 2000 г.).

В известных газоанализаторах отсутствуют средства контроля за достижением предельного значения экспозиции, в результате датчик и вместе с ним газоанализатор зачастую теряют работоспособность в процессе эксплуатации, что может создать опасную ситуацию при аварийной утечке аммиака.

Наиболее близким к предлагаемому газоанализатору является газоанализатор для измерения паров аммиака в воздухе, содержащий датчик концентрации измеряемого компонента, выполненный в виде электрохимического сенсора с расходуемым в процессе работы электролитом, сообщающийся с контролируемым газом, и устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой, включающее блок питания датчика, усилитель сигнала датчика и микроконтроллер, содержащий центральное процессорное устройство, элемент памяти программ, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с усилителем сигнала датчика, и таймер, соединенный с генератором частоты и обеспечивающий задание временного режима микроконтроллера (см. Руководство по эксплуатации газоанализатора ЭССА, ООО Бюро аналитического приборостроения ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ, 2001).

Этому газоанализатору присущи те же недостатки, что и описанным выше газоанализаторам с электрохимическими датчиками. Задача изобретения состояла в разработке такого газоанализатора, в котором обеспечивается контроль состояния датчика и сигнализируется о превышении максимально допустимого значения экспозиции (интегрального сигнала) измеряемого компонента, соответствующего ресурсу работы датчика.

Указанная задача решается тем, что предложен газоанализатор, содержащий датчик концентрации измеряемого компонента, выполненный в виде электрохимического сенсора с расходуемым в процессе работы электролитом, сообщающегося с контролируемым газом, и устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой, включающее блок питания датчика, усилитель сигнала датчика и микроконтроллер, содержащий центральное процессорное устройство, элемент памяти программ, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с усилителем сигнала датчика, и таймер, соединенный с генератором частоты и обеспечивающий задание временного режима работы микроконтроллера, в котором согласно изобретению датчик снабжен элементом памяти, закрепленным на корпусе датчика и электрически соединенным через интерфейс, представляющий собой устройство последовательной передачи данных, с центральным процессорным устройством микроконтроллера, обеспечивающего интегрирование сигнала датчика и периодическое занесение значения интегрального сигнала в элемент памяти датчика и считывание этой величины из элемента памяти, причем в элемент памяти программ микроконтроллера введено предельное значение интегрального сигнала для датчика, соответствующее ресурсу работы датчика, с которым периодически сравнивается текущее значение интегрального сигнала, считываемое из элемента памяти датчика, а устройство для обработки сигналов датчика и управления его работой снабжено элементом сигнализации, срабатывающим в момент, когда текущее значение интегрального сигнала измеряемого компонента становится равным предельной величине интегрального сигнала датчика. Предельная величина интегрального сигнала зависит от конструкции датчика и используемых в нем материалов. Она определяется экспериментальным путем, и для разных образцов датчика одного типа принимается величиной постоянной. Для учета возможного изменения этой величины от датчика к датчику при использовании в газоанализаторе используется величина, равная 0,9 от наименьшего из экспериментально зафиксированных значений.

Техническим результатом изобретения является то, что благодаря отмеченным выше особенностям выполнения газоанализатора в нем обеспечивается контроль за величиной интегрального сигнала датчика, соответствующего ресурсу работы датчика и срабатывание сигнализации при выработке датчиком своего ресурса, что не обеспечивается ни в одном из числа известных газоанализаторов, использующих электрохимические датчики. Это в свою очередь обеспечивает возможность своевременной замены датчика, выработавшего свой ресурс, на новый датчик, и исключает возможность пропуска аварийной ситуации при контроле, например, паров аммиака.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная блок-схема предлагаемого газоанализатора.

На фиг.2 изображена блок-схема микроконтроллера, входящего в состав блока для обработки сигнала датчика и управления его работой с указанием связей его с датчиком. Газоанализатор содержит (фиг.1) датчик 1 концентрации измеряемого компонента, например аммиака в контролируемом газе, например в воздухе. Датчик 1 выполнен в виде электрохимического сенсора, представляющего собой ячейку, сообщающуюся с контролируемым газом (аммиаком) через полупроницаемую диффузионную мембрану, заполненную электролитом, в который помещены не менее двух электродов (рабочий и измерительный). В датчике 1 при взаимодействии измеряемого компонента (аммиака) с электролитом вырабатывается электрический ток, пропорциональный концентрации измеряемого компонента. Выход датчика 1 соединен с усилителем 2 сигнала, выход которого соединен с микроконтроллером 3 устройства для обработки сигнала датчика 1 и управления его работой. Газоанализатор содержит блок 4 питания газоанализатора, генератор 5 частоты и элемент 6 сигнализации, которые соединены с микроконтроллером 3. На корпусе датчика 1 закреплен элемент 7 памяти. Тип памяти EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) с последовательной передачей данных. В качестве такого элемента 7 может быть использован чип памяти AT 24C01 фирмы ATMELL. Элемент 7 памяти соединен с микроконтроллером 3 с помощью интерфейса 8, в качестве которого может быть использован стандартный интерфейс последовательной передачи данных, например двухпроводный интерфейс последовательной передачи данных 2-wire.

В качестве микроконтроллера 3 устройства для обработки сигнала датчика 1 (см. фиг.2) может быть использован программируемый микроконтроллер фирмы ATMELL, например, Atmega 8(L). Микроконтроллер 3 устройства для обработки сигналов датчика 1 (см. фиг.2) содержит центральное процессорное устройство 9, которое через аналого-цифровой преобразователь 10 соединено с усилителем 2 сигнала датчика 1 и через интерфейс 8, представляющий собой устройство последовательной передачи данных, соединено с элементом 7 памяти датчика 1. Кроме того, микроконтроллер 3 включает таймер 11, соединенный с генератором 5 частоты, обеспечивающим задание временного режима работы микроконтроллера 3, элемент 12 перезаписываемой памяти программ, который хранит программу с заданным алгоритмом работы и логические входы/выходы для управления элементом 6 сигнализации. Все блоки микроконтроллера 3 соединены с его центральным процессорным устройством 9 (см. фиг.2), управляющим его работой.

Газоанализатор работает следующим образом. При контакте контролируемого газа (воздуха), содержащего измеряемый компонент (аммиак), с датчиком 1, измеряемый компонент (аммиак) диффундирует к рабочему электроду (аноду), на поверхности которого происходит его окисление, в процессе которого образуются электроны и ионы Н⁴', причем количество электронов пропорционально концентрации измеряемого компонента (аммиака) в контролируемом газе. Электроны при этом движутся к измерительному электроду. Возникающий электрический ток пропорционален концентрации измеряемого компонента. При окислении измеряемого компонента (аммиака) расходуется электролит, полное расходование электролита соответствует ресурсу работы датчика. Критерием расходования электролита является величина электрического заряда, протекающего через датчик 1 за время его работы (интегральный сигнал датчика). Сигнал датчика 1 усиливается с помощью усилителя 2, который преобразует его в напряжение. Усиленный и преобразованный сигнал подается в аналого-цифровой преобразователь 10 микроконтроллера 3, который преобразует его в цифровой. Микроконтроллер 3 по алгоритму программы, записанной в элемент 12 памяти программ, с периодичностью, задаваемой таймером 11, но не реже одного раза в 5 секунд, считывает этот сигнал, и с периодичностью не реже одного раза в 5 минут через интерфейс 8 записывает его в элемент 7 памяти датчика 1. По истечении заданного периода времени (например, 5 минут) центральное процессорное устройство 9 микроконтроллера 3 через интерфейс 8 из элемента 7 памяти датчика 1 считывает значение, хранящееся в элементе 7 памяти датчика 1 интегрального сигнала, измеренного датчиком 1 за весь предшествующий период времени его работы за исключением последних 5 минут. К значению интегрального сигнала, полученному через интерфейс из элемента 7 памяти датчика 1, центральное процессорное устройство 9 прибавляет величину интегрального сигнала последние 5 минут. После этого новое значение интегрального сигнала через интерфейс 8 записывается в элемент 7 памяти датчика 1. Центральное процессорное устройство 9 микроконтроллера 3 сравнивает полученное значение интегрального сигнала с предельной величиной интегрального сигнала для датчика (уставкой), хранящейся в элементе 12 памяти программ микроконтроллера 3. При превышении значения заданной величины уставки, соответствующей ресурсу работы датчика 1, микроконтроллер 3 формирует соответствующий сигнал в элемент 6 сигнализации. Текущее значение концентрации измеряемого компонента с выхода усилителя 2 может непрерывно подаваться в любое вторичное устройство для индикации и/или записи сигнала датчика, пропорционального концентрации измеряемого компонента.

Использование: для контроля содержания паров вредных веществ, в частности аммиака. Технический результат: обеспечение контроля за величиной интегрального сигнала датчика, соответствующего ресурсу его работы, и срабатывание сигнализации при выработке ресурса. Сущность: газоанализатор содержит датчик концентрации измеряемого компонента, выполненный в виде электрохимического сенсора с расходуемым в процессе работы электролитом и устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой, содержащее, в том числе, микроконтроллер с центральным процессорным устройством и элемент памяти программ. На корпусе датчика закреплен элемент памяти, который через интерфейс, соединен с центральным процессорным устройством микроконтроллера. Процессорное устройство обеспечивает интегрирование величины сигнала датчика и периодическую запись величины интегрального сигнала в элемент памяти датчика и считывание этого значения из элемента памяти. В элемент памяти программ микроконтроллера введено предельное значение интегрального сигнала датчика, соответствующее ресурсу работы датчика, с которым периодически сравнивается текущее значение интегрального сигнала. Устройство снабжено элементом сигнализации, срабатывающим в момент, когда текущее значение интегрального сигнала становится равным предельной величине интегрального сигнала датчика. 2 ил.

Газоанализатор, содержащий датчик концентрации измеряемого компонента, выполненный в виде электрохимического сенсора с расходуемым в процессе работы электролитом, сообщающийся с контролируемым газом, и устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой, включающее блок питания датчика, усилитель сигнала датчика и микроконтроллер, содержащий центральное процессорное устройство, элемент памяти программ, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с усилителем сигнала датчика, и таймер, соединенный с генератором частоты и обеспечивающий задание временного режима работы микроконтроллера, отличающийся тем, что датчик снабжен элементом памяти, закрепленным на корпусе датчика и электрически соединенным через интерфейс, представляющий собой устройство последовательной передачи данных, с центральным процессорным устройством микроконтроллера, обеспечивающим интегрирование величины сигнала датчика и периодическую запись величины интегрального сигнала в элемент памяти датчика и считывание этого значения из элемента памяти, причем в элементе памяти программ микроконтроллера введено предельное значение интегрального сигнала датчика, соответствующее ресурсу работы датчика, с которым периодически сравнивается текущее значение интегрального сигнала, считываемое из элемента памяти датчика, а устройство для обработки сигнала датчика и управления его работой снабжено элементом сигнализации, срабатывающим в момент, когда текущее значение интегрального сигнала становится равным предельной величине интегрального сигнала датчика.