ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2008 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к области газового анализа и может быть использовано в портативных электрохимических газоанализаторах.

Электрохимический газоанализатор состоит из электрохимической ячейки [ЭХЯ] и измерительного преобразователя, являющегося предметом заявляемого изобретения.

Известен датчик водорода [Описание изобретения к а.с. СССР N1464686 от 23.07.87, G01N 27/46], ток которого вначале преобразуется в напряжение на измерительном резисторе, а затем усиливается операционным усилителем. Для того чтобы повысить чувствительность датчика при таком двойном преобразовании, необходимо существенно увеличивать сопротивление измерительного резистора, что в сумме с действием паразитных емкостей приводит к увеличению погрешности преобразования, инерционности устройства и, в итоге, к увеличению времени отклика ЭХЯ [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.39].

Известен электрохимический газоанализатор [Описание изобретения к а.с. СССР N1679350 от 23.02.89, G01N 27/48], в котором поляризуют измерительный электрод ЭХЯ. Основной недостаток - сложная и энергопотребляющая электрическая принципиальная схема устройства, не позволяющая выполнить газоанализатор портативным и с батарейным питанием.

Известен электрохимический газоанализатор [Описание изобретения к а.с. СССР N1575694 от 28.06.88, G01N 27/46], в котором поддерживается постоянный потенциал на измерительном электроде ЭХЯ, подключенном ко входу преобразователя тока в напряжение. Основной недостаток - сложная, с избыточностью, энергопотребляющая электрическая принципиальная схема устройства, не позволяющая выполнить газоанализатор портативным и, тем более, с батарейным питанием.

Известен электрохимический газоанализатор [Описание изобретения к а.с. СССР N1495705 от 30.07.87, G01N 27/26], который содержит ЭХЯ с двумя электродами, усилитель, цепь термокомпенсации и выходные клеммы. Первый электрод ЭХЯ соединен со входом усилителя, с выводом цепи термокомпенсации и с выходной клеммой, выход усилителя соединен с другим выводом цепи термокомпенсации; второй электрод ЭХЯ соединен с другим входом усилителя. Известное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Сигнал от ЭХЯ 1 с электродами 2 и 3 поступает на усилитель 4, а далее в цепь термокомпенсации 5, которая имеет три вывода, один из них соединен с выходом усилителя, другой - с электродом 2 ЭХЯ 1 и с выходной клеммой 6, а третий - с выходной клеммой 7. К выходным клеммам подключают регистрирующее устройство (на схеме не показано). В выходном сигнале газоанализатора присутствует повышенный уровень шумов, вызванный тем, что сигнал с ЭХЯ вначале усиливается, а затем его часть, термокомпенсированная, подается на выходные клеммы. В результате снижается достоверность измерений при пониженных концентрациях контролируемых газов.

Отсутствие поляризации в ЭХЯ приводит к необратимости окислительных реакций в ней, что сокращает срок ее службы и соответственно газоанализатора в целом. При эксплуатации газоанализатора с такой ЭХЯ требуются постоянные регулировки в схеме для корректирования ее характеристик, а в дальнейшем и замена ее на новую. Это приводит к значительному удорожанию эксплуатации таких газоанализаторов. Электрическое питание описываемого газоанализатора осуществляется от внешнего блока питания, не указанного на схеме. Такой газоанализатор получается громоздким и далеко не портативным.

Данный газоанализатор является наиболее близким по совокупности признаков заявленному устройству и выбран за прототип.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом предложенного устройства является упрощение электрической принципиальной схемы, за счет чего достигается уменьшение потребляемой мощности и соответственно увеличение срока службы, а также уменьшение габаритов газоанализатора, что тоже обусловлено упрощением электрической принципиальной схемы.

Еще одним техническим результатом является уменьшение уровня шумов в выходном сигнале, т.е. повышение достоверности измерений.

Кроме того, дополнительно обеспечивается возможность устранения влияния регистрирующих приборов, подключаемых к газоанализатору.

Поставленная цель достигается тем, что в электрохимическом газоанализаторе, содержащем ЭХЯ с двумя электродами, усилитель, цепь термокомпенсации, выходные клеммы, первый электрод ЭХЯ соединен со входом усилителя, с выводом цепи термокомпенсации и с выходной клеммой, выход усилителя соединен с другим выводом цепи термокомпенсации, дополнительно введен делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, первый электрод ЭХЯ соединен с инвертирующим входом усилителя, второй электрод ЭХЯ соединен с положительным входом питания усилителя и с выводом первого резистора делителя напряжения, другой вывод этого резистора соединен с выводом второго резистора и с неинвертирующим входом усилителя, второй резистор другим выводом соединен с отрицательным входом питания усилителя, выход усилителя соединен со второй выходной клеммой, дополнительно введен миниатюрный элемент питания - химический источник тока ХИТ, положительный и отрицательный выводы которого соединены с соответствующими входами питания усилителя.

Целесообразно дополнить устройство еще одним аналогичным усилителем, который подключают между цепью термокомпенсации и выходной клеммой, неинвертирующий вход его соединен с первым электродом ЭХЯ, а инвертирующий вход и выход соединены с выходной клеммой.

Упрощение электрической принципиальной схемы, которое обуславливает уменьшение габаритов газоанализатора, достигается за счет того, что дополнительно введен миниатюрный элемент питания ХИТ, положительный и отрицательный выводы которого соединены с соответствующими входами питания усилителя, а выход усилителя соединен с выходной клеммой, первый электрод ЭХЯ соединен с инвертирующим входом усилителя, второй электрод ЭХЯ соединен с положительным входом питания усилителя, с выводом первого резистора дополнительно введенного делителя напряжения, другой вывод этого резистора соединен с выводом второго резистора и с неинвертирующим входом усилителя, второй резистор другим выводом соединен с отрицательным входом питания усилителя. Введение дополнительно ХИТа в состав газоанализатора, взамен внешнего блока питания, позволяет устранить паразитные наводки на измерительный преобразователь и оптимизировать конструкцию устройства, что в результате опять же приводит к упрощению схемы и уменьшению габаритов.

Основным отличительным признаком предлагаемого устройства является формирование поляризующего напряжения и преобразование токового сигнала ЭХЯ в напряжение на одном усилителе, что позволяет предельно упростить электрическую принципиальную схему устройства и уменьшить его габариты, т.о. снизить потребляемую мощность и повысить срок службы устройства.

Уменьшение уровня шумов в выходном сигнале, и, в связи с этим, повышение достоверности измерений, уменьшение времени отклика ЭХЯ достигается за счет того, что первый электрод ЭХЯ соединен с инвертирующим входом усилителя, второй электрод ЭХЯ соединен с положительным входом питания усилителя, с выводом первого резистора дополнительно введенного делителя напряжения, другой вывод этого резистора соединен с выводом второго резистора и с неинвертирующим входом усилителя, второй резистор другим выводом соединен с отрицательным входом питания усилителя. При преобразовании тока ЭХЯ в напряжение, ЭХЯ находится в режиме «короткого замыкания» [Юнда Н.Т. Измеритель распределения поверхностного потенциала. Журнал Приборы и техника эксперимента, №4, 1984, с.202], а термокомпенсирующая цепь в обратной связи усилителя определяет масштаб преобразования тока ЭХЯ в напряжение. Т.е. выходной сигнал газоанализатора

U_вых=I_ЭХЯ·R_Σ,

где I_ЭХЯ - ток ЭХЯ при температуре измерения;

R_Σ - суммарное сопротивление термокомпенсирующей цепи при температуре измерения.

На неинвертирующем входе усилителя с помощью делителя напряжения и элемента питания - химического источника тока - ХИТа формируется стабильное напряжение, и на инвертирующем входе, соединенном с электродом ЭХЯ, тоже будет стабильное напряжение - напряжение поляризации, что позволит увеличить срок службы газоанализатора без замены ЭХЯ.

Дополнительный технический результат от применения второго усилителя - уменьшение выходного сопротивления между выходными клеммами, что полностью устраняет влияние входного сопротивления регистрирующих приборов, подключаемых к выходным клеммам. Второй усилитель устанавливают между цепью термокомпенсации и выходной клеммой, при этом неинвертирующий вход его соединен с первым электродом ЭХЯ, а инвертирующий вход и выход соединены с выходной клеммой.

Элементы и блоки, используемые в схеме, не являются новыми, однако связи между ними не были известны ранее. Т.о., мы имеем новую совокупность признаков и их новую взаимосвязь, причем не простое объединение, а именно новое устройство с качественно новыми показателями.

Изобретение поясняется схемами, где на фиг.1 представлена электрическая схема прототипа, на фиг.2 - то же заявляемого газоанализатора. На фиг.3 представлена схема газоанализатора согласно п.2 формулы изобретения.

Газоанализатор на фиг.2 содержит ЭХЯ 1 с двумя электродами 2 и 3, первый из электродов 2 соединен с инвертирующим входом усилителя 4, а второй - с первым резистором 8 делителя напряжения. Делитель напряжения состоит из двух резисторов 8 и 9, резистор 8 соединен с резистором 9 и с неинвертирующим входом усилителя 4, а резистор 9 соединен с отрицательным входом питания усилителя 4, к положительному входу питания усилителя 4 подсоединен второй электрод 3 ЭХЯ 1. Положительный и отрицательный выводы питания усилителя 4 соединены с соответствующими выводами источника питания 10, представляющего собой миниатюрный ХИТ. Устройство включает в себя цепь термокомпенсации 5, ее выводы соединены с выходом усилителя 4 и с первым электродом 2 ЭХЯ 1, и еще они соединены с выходными клеммами 6 и 7.

В схеме газоанализатора на фиг.3 дополнительно включен еще один аналогичный усилитель 11 между цепью термокомпенсации 5 и выходной клеммой 6. Неинвертирующий вход усилителя 11 соединен с первым электродом 2 ЭХЯ 1, а инвертирующий вход и выход усилителя - с выходной клеммой 6.

Устройство работает следующим образом. Токовый сигнал от ЭХЯ 1, зависящий от концентрации измеряемого газа, поступает на вход усилителя 4, который преобразует его в напряжение, снимаемое с выводов термокомпенсирующей цепи 5. Ее параметры определяют температурный диапазон работы газоанализатора и коэффициент преобразования тока ЭХЯ в напряжение.

К выходным клеммам подключают регистрирующий прибор, на чертеже он не показан. Напряжение поляризации формируется на неинвертирующем входе усилителя 4 с помощью высокоомного делителя напряжения, состоящего из резисторов 8, 9. Усилитель поддерживает между своими входами напряжение очень близкое к нулю [Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. М.: Мир, 1985, с.16], поэтому и на инвертирующем входе, соединенном с электродом 2 ЭХЯ, также будет напряжение поляризации. В устройстве используют в качестве источника питания 10 миниатюрный ХИТ, рабочее напряжение которого стабильно за весь срок службы [Химические источники тока. М.: МЭИ, 2003, с.147-149]. Т.о., можно утверждать, что и напряжение поляризации, сформированное высокоомным делителем напряжения, также будет стабильно за весь срок службы газоанализатора.

При добавлении второго усилителя 11 (см. фиг.3) между цепью термокомпенсации 5 и выходной клеммой 6, сигнал с термокомпенсирующей цепи 5, соответствующий концентрации контролируемого газа, поступает на неинвертирующий вход усилителя 11. Соединение инвертирующего входа усилителя с его выходом обеспечивает очень большое входное сопротивление усилителя 11 (более 10 МОм), что гарантированно не шунтирует сопротивление термокомпенсирующей цепи 5. В то же время малое выходное сопротивление операционных усилителей 4 и 11 позволяет подключать к их выходам, напрямую соединенным с выходными клеммами 6 и 7, любой электронный регистрирующий прибор.

Для экспериментальной проверки в схеме устройства согласно заявляемому изобретению был использован микромощный операционный усилитель МСР6041 фирмы MICROCHIP, потребляемый ток которого по справочным данным [Журнал Электронные компоненты №2, 2004, с.40] не превышает 0,6 мкА.

Был подобран подходящий по размерам для миниатюрного газоанализатора ХИТ - литиевый элемент SR2032 с номинальным напряжением 3 В и емкостью 170-220 мА/час. В качестве ЭХЯ был выбран электрохимический сенсор, имеющий выходной сигнал на воздухе 1,2 мкА и длительный срок службы - 65 лет [Описание изобретения к заявке на патент РФ N2196322 от 20.08.01, G01N 27/26]. Номиналы резисторов высокоомного делителя были выбраны: резистор 8-8,2 МОм, резистор 9-22 МОм, чтобы получить напряжение поляризации измерительного электрода не менее 800 мВ [Описание изобретения к заявке на патент РФ N2196322 от 20.08.01, G01N 27/26], а также, чтобы ток через делитель не превышал 0,1 мкА. В качестве термокомпенсирующей цепи 5 может быть использована любая из термокомпенсирующих цепей [например, описанные в литературных источниках 4, 5, 6, 9] с настройкой под требуемый температурный диапазон портативного газоанализатора и величину выходного напряжения, поступающего на выходные клеммы 6, 7. При экспериментальной проверке в качестве термокомпенсирующей цепи 5 был использован резистор типа С2-29В-0,5 Вт-174 кОм для того, чтобы получить выходное напряжение порядка 210 мВ (1,2 мкА × 174 кОм=209 мВ). Целесообразно зашунтировать этот резистор неполярным конденсатором емкостью 0,1-1 мкФ для устранения возможных наводок на экспериментальный макет. При проверке температура в помещении составляла 19°С, при этом выходной сигнал газоанализатора, измеренный цифровым вольтметром В7-23 (на пределе 1 В), оказался несколько завышенным и составил 221 мВ. Погрешность выходного сигнала по отношению к расчетному невелика и, как оказалось, появилась из-за того, что выходной ток выбранной ЭХЯ составлял не 1,2 мкА, а 1.27 мкА. Простые расчеты показывают, что суммарный ток, потребляемый газоанализатором, не превышает 2 мкА, что при емкости литиевого элемента питания, например, 200 мА/час, позволяет эксплуатировать портативный газоанализатор не менее 100 тыс. часов (более 10 лет) без замены электрохимического сенсора и элемента питания. Дополнительные испытания микросхемы МСР 6041 показали, что она также работоспособна в газоанализаторе и от элементов питания с напряжением от 1 до 5 В.

При использовании микросхемы МСР6042 (два микромощных усилителя в одном корпусе) можно улучшить характеристики газоанализатора. Вновь введенный повторитель напряжения на втором усилителе 11 позволяет устранить влияние входного сопротивления регистрирующих приборов, подключаемых к клеммам 6 и 7, за счет уменьшения выходного сопротивления прибора. Величина поляризующего напряжения на электрохимическом сенсоре зависит от соотношения номиналов резисторов 8 и 9. Диапазон изменения величины поляризующего напряжения в схеме газоанализатора может быть задан от десятков мВ до напряжения, составляющего не менее 70% от напряжения батареи питания. Это позволяет использовать предложенный газоанализатор для анализа концентраций различных газов.

Использование в портативном газоанализаторе ЧИП-компонентов, например, типоразмеров 1206, 0805 и микромощного усилителя МСР6041 в корпусе SOT-23-5 позволяет свободно - «комфортно» - разместить всю электрическую принципиальную схему газоанализатора на круглой диэлектрической плате диаметром не более 20 мм, т.е. в габаритах литиевого элемента SR 2032, наружный диаметр которого составляет 20 мм. Это открывает широкие возможности использования предложенного газоанализатора в различных профессиональных и бытовых приборах, например в часах, плеерах, телефонах. Человек сможет оперативно получать информацию о наличии в окружающей его среде вредных для здоровья газах либо о снижении уровня концентрации кислорода, нежелательном для хорошего самочувствия.

Упрощение электрической принципиальной схемы и, в связи с этим, уменьшение габаритов газоанализатора, позволяет уменьшить суммарный ток, потребляемый от элемента питания до 2 мкА, что предполагает использование любого миниатюрного ХИТа с напряжением 1-5 В, положительный и отрицательный выводы которого соединены с соответствующими входами питания усилителя, а выход усилителя соединен с выходной клеммой.

Снижение потребляемой мощности измерительным преобразователем ведет к повышению срока службы газоанализатора, причем без замены ЭХЯ.

Снижение уровня шумов в выходном сигнале повышает достоверность измерений.

Дополнительный технический результат - полное устранение влияния входного сопротивления регистрирующих приборов, подключаемых к выходным клеммам, происходит за счет применения второго усилителя между цепью термокомпенсации и выходной клеммой.

Литература.

1. Описание изобретения к а.с. СССР N1464686 от 23.07.87, G01N 27/46.

2. Описание изобретения к а.с. СССР N1679350 от 23.02.89, G01N 27/48.

3. Описание изобретения к а.с. СССР N1575694 от 28.06.88, G01N 27/46.

4. Описание изобретения к а.с. СССР N1495705 от 30.07.87, G01N 27/26.

5. Описание изобретения к а.с. СССР N1087865 от 25.10.82, G01N 27/26.

6. Описание изобретения к а.с. СССР N1608552 от 11.08.88, G01N 27/26.

7. Описание изобретения к заявке на патент РФ N2196322 от 20.08.01 G01N 27/26.

8. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.39.

9. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н. Полупроводниковые резисторы в радиосхемах. М.: Энергия, 1971, с.55.

10. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. М.: Мир, 1985, с.16.

11. Химические источники тока. М.: МЭИ, 2003, с.147-149.

12. Юнда Н.Т. Измеритель распределения поверхностного потенциала. Журнал Приборы и техника эксперимента, №4, 1984, с.202.

13. Журнал Электронные компоненты, №2, 2004, с.40.

Электрохимический газоанализатор состоит из электрохимической ячейки (ЭХЯ) с двумя электродами и измерительного преобразователя, содержащего усилитель и цепь термокомпенсации. Один из выводов цепи термокомпенсации соединен с первым электродом ЭХЯ, другой - с выходом усилителя. Первый электрод ЭХЯ соединен еще с инвертирующим входом усилителя и с выходной клеммой. Дополнительно введен делитель напряжения с двумя резисторами между вторым электродом ЭХЯ и отрицательным входом питания усилителя, при этом первый резистор одним выводом соединен со вторым резистором и с неинвертирующим входом усилителя. Дополнительно введен миниатюрный элемент питания - химический источник тока (ХИТ), который подключен ко входам питания усилителя, а к положительному входу подключен и второй электрод ЭХЯ. Выход усилителя соединен со второй выходной клеммой. Изобретение обеспечивает упрощение электрической принципиальной схемы и, в связи с этим, уменьшение габаритов газоанализатора, позволяет уменьшить потребляемую мощность, что ведет к повышению его срока службы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрохимический газоанализатор, содержащий электрохимическую ячейку (ЭХЯ) с двумя электродами, усилитель, цепь термокомпенсации, выходные клеммы, первый электрод ЭХЯ соединен со входом усилителя, с выводом цепи термокомпенсации и с выходной клеммой, выход усилителя соединен с другим выводом цепи термокомпенсации, отличающийся тем, что дополнительно введен делитель напряжения, состоящий из двух резисторов, первый электрод ЭХЯ соединен с инвертирующим входом усилителя, второй электрод ЭХЯ соединен с положительным входом питания усилителя и с выводом первого резистора делителя напряжения, другой вывод этого резистора соединен с выводом второго резистора и с неинвертирующим входом усилителя, второй резистор другим выводом соединен с отрицательным входом питания усилителя, выход усилителя соединен со второй выходной клеммой, дополнительно введен миниатюрный элемент питания - химический источник тока (ХИТ), положительный и отрицательный выводы которого соединены с соответствующими входами питания усилителя.2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что между цепью термокомпенсации и выходной клеммой дополнительно включен аналогичный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с первым электродом ЭХЯ, а инвертирующий вход и выход соединены с выходной клеммой.