ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2015 года по МПК G01N27/18 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при создании автоматических приборов контроля концентрации компонентов газовых смесей (метано-воздушных, гелиево-ксеноновых и т.п.) в широком диапазоне изменения их давлений и температур.

Известен термокондуктометрический газоанализатор, в котором определение концентрации газа осуществляется путем сравнения теплопроводностей анализируемой газовой смеси, поступающей в рабочую камеру, и эталонной газовой смеси постоянного состава, заполняющей герметично закрытую сравнительную камеру. В камерах размещены рабочий и сравнительный преобразовательные элементы (терморезисторы), образующие термокондуктометрический сенсор, включенный в мостовую измерительную схему, питаемую стабильным напряжением [1].

Изменение концентрации одного из компонентов анализируемой газовой смеси приводит к изменению ее теплопроводности и, как следствие, температуры нагрева рабочего преобразовательного элемента и его электрического сопротивления. Изменение этого сопротивления вызывает разбаланс мостовой измерительной схемы и, соответственно, возникновение в измерительной диагонали моста выходного сигнала, пропорционального концентрации анализируемого компонента.

Недостатком этого газоанализатора является пониженная точность измерений, особенно в условиях изменения давления газовой смеси в широких пределах, что обусловлено нелинейностью статической характеристики газоанализатора и отсутствием учета зависимости теплопроводности газовой смеси от давления.

Еще одним недостатком известного газоанализатора является невозможность его длительной эксплуатации без снижения точности измерений ввиду возможности проникновения анализируемой газовой смеси или ее компонентов в сравнительную камеру.

Известен также термокондуктометрический датчик, содержащий подключенные к источнику напряжения и соединенные последовательно по меньшей мере один термозависимый резистор и мостовую измерительную схему с рабочим и компенсационным термочувствительными элементами. В этом датчике термозависимый резистор выполнен идентичным рабочему термочувствительному элементу, а параллельно диагонали питания мостовой измерительной схемы подключен переменный резистор [2].

В этом датчике достигается некоторое повышения точности контроля состава газовых смесей за счет линеаризации его статической характеристики. Однако источники погрешности, обусловленные зависимостью теплопроводности газовой смеси от давления, а также вызванные проникновением газовой смеси в сравнительную камеру, не устранены.

Ближайшим аналогом предложенного анализатора является термокондуктометрическое газоизмерительное устройство, содержащее чувствительный элемент, восприимчивый к заданному газу таким образом, что его электрическое свойство изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, контроллер, связанный с чувствительным элементом и измеряющий его электрическое свойство, источник энергии подогрева нагревательного элемента, связанный с контроллером, регулирующим его работу в зависимости от результатов измерения электрического свойства нагревательного элемента, а также средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером, источником энергии подогрева и приспособленное для управления величиной энергии, подаваемой к нагревательному элементу. При этом средство импульсной модуляции приспособлено для формирования первого и второго наборов импульсов энергии, отличающихся продолжительностью, для поддержания температуры нагревательного элемента на постоянном уровне [3].

Применение контроллера в этом газоанализаторе дает возможность программным путем устранить нелинейность его передаточной характеристики, что обеспечивает некоторое повышение точности измерений. Однако это повышение точности является недостаточным, поскольку отсутствует компенсация погрешности, обусловленной изменением давления газовой смеси.

Задачей изобретения является создание анализатора газовых смесей, обладающего возможностью длительной работы с газовыми смесями с высокой проникающей способностью их компонентов без снижения точности измерений в широком диапазоне изменения давления этих смесей.

Поставленная задача решается благодаря тому, что термокондуктометрический анализатор концентрации компонентов газовой смеси реализован без применения подвижных механических элементов и содержит сенсорную камеру с нагревательным элементом, охлаждаемым контролируемой газовой смесью, микропроцессорный контроллер со встроенным или подключенным к нему аналого-цифровым преобразователем (АЦП), источник питания, электронный коммутатор напряжения или тока, подающий энергию источника питания на нагревательный элемент под управлением микропроцессорного контроллера, и датчик тока, включенный последовательно с нагревательным элементом и соединенный с АЦП, или входящий в состав электронного коммутатора и приспособленный для стабилизации или ограничения его выходного тока, или выполненный цифровым и подключенный к первому цифровому входу микропроцессорного контроллера, информационные выходы которого соединены с устройством отображения информации о концентрации компонентов газовой смеси и/или интерфейсным устройством, передающим информацию об этой концентрации на внешнее устройство. Нагревательный элемент выполнен с возможностью изменения его электрического сопротивления в зависимости температуры этого нагревательного элемента и/или в сенсорной камере установлен датчик температуры этого нагревательного элемента, причем нагревательный элемент и/или датчик температуры нагревательного элемента соединен/соединены с АЦП, либо датчик температуры нагревательного элемента выполнен цифровым и подключен ко второму цифровому входу микропроцессорного контроллера. Микропроцессорный контроллер формирует импульсные сигналы управления электронным коммутатором, а также определяет концентрацию компонентов газовой смеси с использованием зависимостей теплопроводности газовой смеси от концентрации этих компонентов и давления газовой смеси, предварительно записанных в его энергонезависимую память. При этом теплопроводность газовой смеси определяется путем обработки данных о величинах выходного тока электронного коммутатора, напряжения на нагревательном элементе и температуры этого нагревательного элемента, определяемой по величине электрического сопротивления нагревательного элемента или с помощью датчика температуры нагревательного элемента, а величина давления газовой смеси в сенсорной камере - путем измерения скорости повышения и/или снижения температуры нагревательного элемента или скорости выравнивания температуры газовой смеси в неравновесных тепловых процессах при импульсном управлении электронным коммутатором с использованием зависимости этой скорости от давления газовой смеси, предварительно записанной в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера. Далее концентрация выбранного компонента газовой смеси вычисляется микропроцессорным контроллером в зависимости от ее теплопроводности при текущем значении давления в сенсорной камере.

Кроме того, в предложенном термокондуктометрическом анализаторе, с целью его улучшения и более эффективного достижения указанного технического результата, дополнительно может быть реализовано одно или одновременно несколько следующих технических решений в их любом сочетании:

а) установка дополнительного датчика температуры корпуса сенсорной камеры, соединенного с АЦП или выполненного цифровым и соединенного с цифровым входом микропроцессорного контроллера, который в этом случае определяет теплопроводность газовой смеси с учетом разности температур нагревательного элемента и корпуса сенсорной камеры;

б) установка дополнительного датчика температуры газовой смеси или теплового потока, создаваемого нагревательным элементом, установленного в сенсорной камере и соединенного с АЦП или выполненного цифровым и соединенного с цифровым входом микропроцессорного контроллера, который определяет давление газовой смеси путем измерения температуропроводности газовой смеси с использованием выходного сигнала этого датчика и последующего преобразования полученного значения температуропроводности в давление газовой смеси с использованием зависимости между этими параметрами, предварительно записанной в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера, причем датчик теплового потока, при его наличии в предложенном анализаторе, установлен в сенсорной камере в направлении кондуктивного теплового потока, создаваемого нагревательным элементом, и может быть выполнен в виде термопары, батареи термопар или анизотропного термоэлемента, действие которого основано на поперечном эффекте Зеебека;

в) определение микропроцессорным контроллером теплопроводности газовой смеси с учетом зависимости этой теплопроводности от температуры газовой смеси, предварительно записанной в его энергонезависимую память;

г) формирование микропроцессорным контроллером широтно-импульсных (ШИМ) сигналов управления электронным коммутатором, частота и скважность которых установлены таким образом, что температура нагревательного элемента находится в интервале между предварительно установленными максимальным и минимальным значениями этой температуры, а величина реализуемого повышения и/или снижения этой температуры установлена из условия обеспечения возможности определения давления газовой смеси путем обработки микропроцессорным контроллером данных о скорости повышения и/или снижения этой температуры, при этом частота и/или скважность этих ШИМ сигналов устанавливаются, в частности, в зависимости от измеренных или вычисленных значений температуры и/или электрического сопротивления нагревательного элемента;

д) применение нагревательного элемента с положительным нормированным температурным коэффициентом электрического сопротивления, реализованного в виде полупроводникового резистора, или платиновой, вольфрамовой, никелевой или танталовой нити, или пленки из одного из этих материалов, нанесенной на подложку;

е) применение датчика температуры нагревательного элемента, прикрепленного к этому нагревательному элементу или выполненного в виде пленки, нанесенной на противоположную сторону подложки, которая приспособлена для передачи тепла от нагревательного элемента к датчику температуры;

ж) установка по меньшей мере одного дифференциального усилителя во входных цепях АЦП;

з) применение мостовой измерительной схемы, одно плечо которой образуют нагревательный элемент и датчик тока, а второе плечо - постоянные резисторы, причем диагональ мостовой схемы подключена к входам АЦП или входам дифференциального усилителя, входящего в состав АЦП;

и) оснащение электронного коммутатора встроенным контроллером, приспособленным для регулирования частоты, и/или скважности, и/или выходного тока электронного коммутатора, в частности, из условия поддержания температуры или электрического сопротивления нагревательного элемента и амплитуды колебаний этой температуры или этого электрического сопротивления в неравновесных тепловых процессах в сенсорной камере в заданных пределах;

к) выполнение нагревательного элемента восприимчивым к заданному компоненту газовой смеси таким образом, что по меньшей мере одно его электрическое свойство изменяется в зависимости от присутствия этого компонента, в частности, с возможностью осуществления на его поверхности реакции каталитического окисления этого компонента;

л) выполнение интерфейсного устройства с возможностью проводной и/или беспроводной передачи на внешнее устройство информации о концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси в аналоговой и/или цифровой форме.

Наличие причинно-следственной связи между указанной совокупностью существенных признаков заявляемого термокондуктометрического анализатора и достигаемым техническим результатом обусловлено его реализацией без применения подвижных механических элементов и организацией внутри сенсорной камеры как стационарных, так и нестационарных тепловых процессов под управлением и под контролем микропроцессорного контроллера.

В известных термокондуктометрических газоанализаторах, как правило, используется сенсорная камера, в которую поступает контролируемая газовая смесь, и компенсационная (сравнительная) камера, заполненная газом известного состава.

При этом, если газоанализатор работает в широком диапазоне давлений и температур, возникает проблема выравнивания давлений и температур в сенсорной и компенсационной камерах. В противном случае компенсационная камера не выполняет своего предназначения. Обеспечить такое выравнивание можно установкой тонкой теплопроводной разделительной мембраны между сенсорной и компенсационной камерами. В этом случае, благодаря подвижности разделительной мембраны, обеспечивается выравнивание давлений в камерах, а малая толщина мембраны обеспечивает эффективную теплопередачу между газовыми смесями в этих камерах и выравнивание их температур.

Однако при такой конструкции газоанализатора в процессе его работы возможно проникновение контролируемой газовой смеси через разделительную мембрану в компенсационную камеру, что приводит к изменению состава газовой смеси в компенсационной камере и возникновению погрешности измерения концентрации компонентов газовой смеси.

Абсолютная герметичность, как известно, недостижима и неконтролируема. Ее следует рассматривать как понятие относительное и можно говорить лишь о степени этой герметичности. Поэтому длительная работа анализатора газовых смесей без снижения точности измерений принципиально невозможна, если в ней используется подвижная разделительная мембрана.

Кроме того, при наличии необходимости работы газоанализатора в широком диапазоне давлений газовых смесей для обеспечения высокой точности измерений необходимо вводить коррекцию результата измерения концентрации в зависимости от величины давления контролируемой газовой смеси. Для измерения давлений обычно используются датчики давления с подвижной упругой мембраной, к которой прикреплены тензочувствительные элементы. Однако при установке датчика давления в сенсорную камеру в случае длительной работы газоанализатора, например более 10-ти лет, возможно проникновение газовой смеси через упругую мембрану. Это приведет к изменению давления с противоположной стороны упругой мембраны датчика давления, к снижению точности измерения давления и, соответственно, точности измерения концентрации компонентов газовых смесей.

Особенно высокой способностью проникать (фильтроваться) через очень мелкие поры различных материалов, по сравнению с другими газами, обладает гелий (He). Гелий быстро диффундирует через уплотнения и тонкие перегородки, например, из многих металлов и кварцевого и боросиликатного стекла. Причем скорость этой диффузии возрастает по мере повышения его температуры и давления.

Поэтому для достижения возможности работы анализатора газовых смесей в течение длительного периода времени без снижения точности измерений, в том числе с газами с высокой проникающей способностью, например гелия, и в широком интервале их давлений и температур, необходимо реализовать газоанализатор без применения подвижных механических элементов (мембран, упругих перегородок и т.п.), что и предложено в заявленном изобретении.

В соответствии с признаками формулы изобретения в предложенном термокондуктометрическом анализаторе используются перечисленные в этой формуле функциональные блоки и компоненты и организована их совместная работа таким образом, что для определения концентрации отдельных компонентов газовой смеси проводится анализ как теплопроводности, так и температуропроводности или объемной теплоемкости газовой смеси в статических и динамических процессах теплообмена между нагревательным элементом и контролируемой газовой смесью в сенсорной камере.

Поэтому отличительные признаки заявленного газоанализатора, приведенные в независимом пункте формулы изобретения, находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом - обеспечением длительной работы термокондуктометрического анализатора с газовыми смесями с высокой проникающей способностью их компонентов без снижения точности измерений в широком диапазоне изменения давления этих смесей.

Из уровня техники неизвестны термокондуктометрические анализаторы концентрации компонентов газовых смесей без подвижных механических элементов, реализованные с осуществлением и контролем стационарных и нестационарных тепловых процессов в сенсорной камере с помощью микропроцессорных контроллеров и импульсного управления нагревательными элементами и обеспечивающие высокую стабильность и точность измерений концентрации в течение длительного времени работы с газовыми смесями с высокой проникающей способностью их компонентов в широком диапазоне изменения давления этих смесей.

На фиг. 1 приведена упрощенная схема термокондуктометрического газоанализатора, поясняющая принцип его действия. На фиг. 2 - вариант реализации электронного коммутатора, в котором датчик тока используется для стабилизации его выходного тока.

Термокондуктометрический анализатор концентрации компонентов газовой смеси (фиг. 1) содержит сенсорную камеру 1 с нагревательным элементом 2, охлаждаемым контролируемой газовой смесью, микропроцессорный контроллер 3 со встроенным или подключенным к нему аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 4, источник питания 5, электронный коммутатор напряжения или тока 6, датчик тока 7, включенный последовательно с нагревательным элементом 2, устройство отображения информации 8 о концентрации компонентов газовой смеси и, при необходимости, интерфейсное устройство 9.

В состав термокондуктометрического анализатора могут входить также датчики температуры 10 корпуса сенсорной камеры 1, температуры 11 нагревательного элемента 2 и температуры газовой смеси или теплового потока 12.

Электронный коммутатор 6 может быть включен в минусовую цепь источника питания 5 (фиг. 2). Датчик тока 7 в таком коммутаторе может использоваться для стабилизации его выходного тока, в частности, путем применения типовой схемы стабилизатора тока на регулируемом источнике опорного напряжения 13 типа TL431 или его аналоге, транзисторе 14 и ограничительном резисторе 15, через который на электронный коммутатор 6 от микропроцессорного контроллера 3 поступает сигнал управления этим коммутатором.

Микропроцессорный контроллер 3 в общем случае выполнен программируемым и содержит блок энергонезависимой памяти, в который предварительно, кроме программы работы этого контроллера, в виде семейства формул или таблиц записаны данные о теплопроводности и температуропроводности, либо объемной теплоемкости газовой смеси, в зависимости от концентрации этих компонентов газовой смеси, ее давления и температуры.

Датчик температуры 10 корпуса сенсорной камеры 1 может быть выполнен в виде термопары, терморезистора или интегральной микросхемы, в частности, с цифровым выходом. В последнем случае выход этого датчика 10 подключается к цифровому входу микропроцессорного контроллера 3 (не чертеже условно не показано). Аналогичное конструктивное исполнение и подключение может иметь также датчик температуры 11 нагревательного элемента 2.

Датчик теплового потока 12, создаваемого нагревательным элементом 2, установлен в направлении кондуктивного теплового потока, создаваемого этим нагревательным элементом. Он прикреплен к внутренней станке сенсорной камеры 1 и может быть выполнен в виде термопары, батареи термопар или анизотропного термоэлемента, действие которого основано на поперечном эффекте Зеебека. Возможно, но менее эффективно с точки зрения точности измерения температуропроводности газовой смеси, применение датчика не теплового потока, а датчика температуры газовой смеси, который устанавливается на определенным расстоянии от нагревательного элемента 2 и может иметь конструкцию, аналогичную конструкции датчиков температуры 10 и 11.

Микропроцессорный контроллер 3 имеет встроенный блок формирования широтно-импульсных (ШИМ) сигналов управления электронным коммутатором напряжения или тока 6, либо формирует ШИМ сигналы, частота и скважность которых устанавливаются программно с использованием внутреннего таймера микропроцессорного контроллера 3. Значения максимальной и минимальной величин температуры нагревательного элемента 2, либо его электрического сопротивления, используемые микропроцессорным контроллером для формирования ШИМ сигналов, также предварительно записаны в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера 3.

Нагревательный элемент 2, в случае совмещения выполнения этим элементом функций нагрева газовой смеси и чувствительного элемента, имеет, предпочтительно, положительный нормированный температурный коэффициент электрического сопротивления и реализован в виде полупроводникового терморезистора, либо платиновой, вольфрамовой, никелевой или танталовой нити, размещенной в центре сенсорной камеры 1, имеющей линейную или кольцевую форму. Эта нить, в случае ее намотки на изоляционные опоры-держатели, может образовывать катушку в форме многогранника. Возможно также применение нагревательного элемента 2 в виде пленки из одного из перечисленных металлов, предпочтительно платины, нанесенной, например, на керамическую подложку.

Нагревательный элемент 2 может иметь защитное покрытие, например, из стекла, а на внутреннюю поверхность сенсорной камеры 1, выполненной, например, из нержавеющей стали, может быть нанесено теплоизоляционное покрытие, обеспечивающее уменьшение величины мощности, поступающей от источника питания 5 и необходимой для установления необходимой рабочей температуры нагревательного элемента 2.

Нагревательный элемент 2 может быть выполнен также из материала с малым температурным коэффициентом электрического сопротивления - нихрома, константана и т.п. В этом случае необходимо применение датчика температуры 11 нагревательного элемента, прикрепленного к этому нагревательному элементу или выполненного в виде пленки, нанесенной на противоположную сторону подложки, на которой размещен этот нагревательный элемент.

Датчик тока 7 и нагревательный элемент 2 могут быть включены в мостовую измерительную схему, второе плечо которой образуют постоянные резисторы (на чертеже условно не показаны). Диагональ такой мостовой схемы подключается к входам АЦП 4 непосредственно или через дополнительный дифференциальный усилитель, входящий в состав АЦП.

Применение дифференциального усилителя во входных цепях АЦП 4 может быть оправдано также в случае применения датчика тока 7, имеющего малую величину выходного сигнала, например, низкоомного резистора.

Электронный коммутатор 6, с целью снижения требований к вычислительным ресурсам основного микропроцессорного контроллера 3, может содержать встроенный контроллер, реализованный аппаратно или выполненный в виде программируемого микроконтроллера. В этом случае для обеспечения возможности регулирования частоты, скважности и/или выходного тока электронного коммутатора 6, в частности, из условия поддержания в заданных пределах температуры или электрического сопротивления нагревательного элемента 2 в неравновесных тепловых процессах в сенсорной камере без участия микропроцессорного контроллера 3, выходы отдельных датчиков 7, 10, 11 и 12 дополнительно подключены к входам этого встроенного контроллера (на чертеже эти соединения условно не показаны).

В отдельных случаях, особенно при проведении анализа многокомпонентных газовых смесей, целесообразна реализация в газоанализаторе как термокондуктометрического, так и термокаталитического методов измерений. В этом случае нагревательный элемент 2 выполняется восприимчивым к заданному компоненту газовой смеси. В частности, он имеет каталитическое покрытие, обеспечивающее протекание реакции каталитического окисления горючего газа на его поверхности и, соответственно, повышение температуры нагревательного элемента 2, фиксируемое микропроцессорным контроллером 3.

Устройство отображения информации 8 может быть выполнено в виде цифрового или графического светодиодного или жидкокристаллического (ЖКИ) индикатора (дисплея), электромеханического указателя, светового, речевого или звукового сигнализатора и т.п. На нем, в частности, может отображаться процентное содержание одного из компонентов газовой смеси.

Интерфейсное устройство 9 предназначено для передачи информации о концентрации компонентов газовой смеси на внешнее устройство в аналоговой (4-20 мА, 0-20 мА, 0-5 В, 0-10 В и т.д.), цифровой, либо одновременно в аналоговой и цифровой форме по различным линиям связи. Передача этих данных может осуществляться с использованием стандарта проводной LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (COM порт), RS-232, RS-485 (Recommended Standard 485), «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д., или беспроводной Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, GSM, CDMA и т.д. связи.

Предложенный термокондуктометрический анализатор концентрации компонентов газовой смеси работает следующим образом.

В термокондуктометрических анализаторах, как известно, измерение концентрации определяемого компонента производится путем измерения теплопроводности газовой смеси, зависящей от концентрации этого компонента. Теплопроводность газовой смеси в общем случае зависит не только от состава, но и от давления и температуры этой газовой смеси. Соответственно, определение состава бинарной смеси с известными компонентами может быть сведено к измерению ее теплопроводности, температуры и давления и последующей математической обработке полученных результатов.

Для измерения теплопроводности анализируемой газовой смеси используется нагревательный элемент 2, размещенный в сенсорной камере и подогреваемый выходным током электронного коммутатора 6.

Если передача тепла от нагревательного элемента 2 к стенкам сенсорной камеры 1 цилиндрической формы осуществляется в основном в результате теплопроводности, то имеет место зависимость

где Q - количество теплоты, отдаваемой нагревательным элементом в секунду; l, d - длина и диаметр нагревательного элемента (проводника) 2; D - диаметр сенсорной камеры 1; λ - теплопроводность смеси газов; t_n, t_c - температуры проводника и стенок сенсорной камеры.

Форма сенсорной камеры может быть любой и влияет лишь на величину постоянного коэффициета пропорциональности в формуле (1).

Количество теплоты Q, отдаваемой проводником (нагревательным элементом 2) в секунду, определяется микропроцессорным контроллером 3 по величине электрической мощности N (произведение измеряемого тока и напряжения), передаваемой на нагревательный элемент 2 от источника питания 5.

Температура нагревательного элемента (проводника) t_n определяется микропроцессорным контроллером 3 по величине электрического сопротивления R этого нагревательного элемента 2 (отношения напряжения на нагревательном элементе к величине протекаемого по нему тока) с использованием зависимости

где α - температурный коэффициент электрического сопротивления металла, из которого сделан нагревательный элемент; R_o - электрическое сопротивление нагревательного элемента при температуре t_o, например, при 20°C.

Температура нагревательного элемента (проводника) t_n может быть также измерена с помощью датчика температуры 11.

Далее микропроцессорный контроллер 3, формируя ШИМ сигналы управления электронном коммутатором 6, регулирует частоту, скважность и/или величину выходного тока электронного коммутатора 6 таким образом, чтобы температура t_n и, соответственно, электрическое сопротивление R нагревательного элемента 2 находились в пределах величин, предварительно записанных в памяти микропроцессорного контроллера 3.

Если температура контролируемой газовой среды и, соответственно, стенок сенсорной камеры t_c для данных условий эксплуатации термокондуктометрического анализатора постоянна или изменяется незначительно, то ее значение также предварительно записано в энергонезависимой памяти микропроцессорного контроллера 3. В противном случае температура t_c измеряется с помощью датчика температуры 10.

Далее микропроцессорный контроллер 3, на основании результатов указанных измерений мощности N (количества теплоты Q в единицу времени) и температур сенсорного элемента t_n и стенок сенсорной камеры t_c, определяет значение теплопроводности λ газовой смеси.

Если анализу подлежат бинарные (двойные) газовые смеси, состоящие из газа-носителя и одного анализируемого компонента, теплопроводности отдельных компонентов различны и не зависят от температуры и давления этих смесей, то по значению теплопроводности λ газовой смеси микропроцессорный контроллер 3 однозначно определяет концентрацию К анализируемого компонента с использованием функциональной зависимости

предварительно записанной в энергонезависимой памяти микропроцессорного контроллера.

Теплопроводность идеального газа, как известно, не зависит от его давления и пропорциональна корню квадратному из температуры. Однако для реальных газовых смесей коэффициент теплопроводности в общем случае является довольно сложной функцией температуры T, давления P и концентрации K отдельных компонентов этой смеси.

Коэффициент теплопроводности газовой смеси является нелинейной функцией ее состава и не может вычисляться по пропорциональным долям теплопроводности компонентов. Для газовых смесей λ может быть как больше, так и меньше коэффициента теплопроводности ее отдельных компонентов.

С ростом T и P значение λ возрастает. Например, при повышении температуры коэффициент теплопроводности таких газов, как O₂, N₂, H₂, Не, Ar, практически не изменяется, тогда как у CH₄ и Хе существенно возрастает. Изменение давления от 0,1 до 1 МПа при температуре 400 K приводит к незначительному изменению теплопроводности Не - от 190000 до 190100 Вт/(м·К). В то же время для Xe в этих условиях это изменение более существенно - от 7310 до 7600 Вт/(м·К).

В общем случае, для получения высокой точности измерения концентрации K одного из компонентов газовой смеси, коэффициент ее теплопроводности λ необходимо рассматривать в виде функции трех переменных

Эта функция может быть преобразована к виду

Зависимости, описываемые функцией (5), могут быть определены экспериментальным путем и записаны в память микропроцессорного контроллера 3 в виде семейства таблиц или формул для данной газовой смеси.

В этом случае для вычисления концентрации К анализируемого компонента газовой смеси микропроцессорному контроллеру 3, кроме коэффициента ее теплопроводности λ, который определяется описанным выше способом, необходима информация о температуре газовой смеси Г и ее давлении Р.

В качестве температуры газовой смеси T, если она не является постоянной и заранее не известна, в зависимости от конструктивного исполнения газоанализатора, может быть принята температура стенок сенсорной камеры t_c, измеряемая с помощью датчика температуры 10, либо средняя величина температуры газовой смеси в сенсорной камере, определяемая с помощью датчика температуры 12, либо вычисляемая микропроцессорным контроллером 3 с использованием данных о величине температуры t_n нагревательного элемента, либо температур нагревательного элемента и сенсорной камеры t_n и t_c.

Принцип измерения давления P газовой смеси в предложенном анализаторе основан на зависимости скорости распространения температурных волн в газовой смеси от давления. Известно, что длина свободного пробега молекул газа обратно пропорциональна числу молекул в единице объема, т.е. плотности газовой смеси, которая определяется ее давлением. Поскольку коэффициент температуропроводности D определяется длиной свободного пробега молекул, он также имеет обратно пропорциональную зависимость от давления.

С целью определения величины давления P газовой смеси микропроцессорный контроллер 3 осуществляет широтно-импульсное управление электронным коммутатором 6, реализуя нестационарные процессы теплообмена в сенсорной камере 1. Микропроцессорный контроллер измеряет скорость повышения и/или снижения температуры t_n нагревательного элемента 2, либо скорость выравнивания температуры газовой смеси (время запаздывания или фазовые сдвиги изменений температур), используя выходной сигнал датчика температуры или теплового потока 12. Затем микропроцессорный контроллер 3 с использованием предварительно записанных в его памяти зависимостей этой скорости от величины давления определяет величину давления P в сенсорной камере и далее по формуле (5) вычисляет искомую величину концентрации K анализируемого компонента газовой смеси.

Данные об этой величине передаются на устройство отображения информации 8 и передаются на внешнее устройство с помощью интерфейсного устройства 9.

В отдельный случаях для определения концентрации горючего газа в дополнение к термокондуктометрическому методу контроля его концентрации может использоваться термокаталитический метод. В этом случае поверхность нагревательного элемента 2 выполнена с возможностью осуществления на его поверхности реакции каталитического окисления заданного компонента газовой смеси, а концентрация К этого компонента определяется с учетом не только теплопроводности и температуропроводности газовой смеси, но и интенсивности реакции этого окисления, влияющей на температуру нагревательного элемента 2, контролируемую микропроцессорным контроллером 3.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанного термокондуктометрического анализатора концентрации компонентов газовой смеси возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Источники информации

1. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. - М.: Недра, 1994, - стр. 85-86.

2. SU 1665799 A1, G01N 27/14, 20.04.2000.

3. RU 2502066 C2, G01N 27/12, G01N 25/00, G01N 25/18, G01R 31/00, 20.12.2013.

Изобретение может быть использовано при создании автоматических приборов контроля концентрации компонентов газовых смесей. Термокондуктометрический анализатор концентрации выполнен без применения подвижных механических элементов и содержит сенсорную камеру, размещенный в ней нагревательный элемент, датчик тока, источник питания, электронный коммутатор напряжения или тока нагревательного элемента и микропроцессорный контроллер со встроенным или подключенным к нему аналого-цифровым преобразователем, соединенный с устройством отображения информации и/или интерфейсным устройством. Микропроцессорный контроллер формирует широтно-импульсные сигналы управления электронным коммутатором, а также определяет концентрацию отдельных компонентов газовой смеси с использованием предварительно записанных в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера зависимостей теплопроводности газовой смеси от концентрации этих компонентов газовой смеси, ее давления и температуры. Теплопроводность газовой смеси определяется путем обработки данных о величинах тока электронного коммутатора, напряжения на нагревательном элементе, его температуры и температуры сенсорной камеры. Давление измеряется путем контроля скорости изменения температуры нагревательного элемента или скорости выравнивания температуры газовой смеси в неравновесных тепловых процессах при импульсном управлении электронным коммутатором. Изобретение обеспечивает возможность длительной эксплуатации анализатора газовых смесей с высокой проникающей способностью без снижения точности измерений в широком диапазоне давлений этих смесей. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термокондуктометрический анализатор концентрации компонентов газовой смеси, выполненный без применения подвижных механических элементов и содержащий сенсорную камеру, выполненную с возможностью поступления в нее контролируемой газовой смеси, нагревательный элемент, размещенный в сенсорной камере с возможностью его охлаждения газовой смесью, микропроцессорный контроллер со встроенным или подключенным к нему аналого-цифровым преобразователем (далее - АЦП), источник питания, электронный коммутатор напряжения или тока, вывод питания, выход и управляющий вход которого подключены соответственно к плюсовому или минусовому выводу источника питания, нагревательному элементу и управляющему выходу микропроцессорного контроллера, по меньшей мере один из информационных выходов которого подключен к устройству отображения информации о концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси и/или интерфейсному устройству, приспособленному для передачи информации об этой концентрации на внешнее устройство, датчик тока, включенный последовательно с нагревательным элементом и соединенный с первым/первыми входом/входами АЦП, или входящий в состав электронного коммутатора и приспособленный для стабилизации или ограничения его выходного тока, или выполненный цифровым и подключенный к первому цифровому входу микропроцессорного контроллера, причем нагревательный элемент выполнен с возможностью изменения его электрического сопротивления в зависимости от температуры этого нагревательного элемента и/или в сенсорной камере установлен датчик температуры нагревательного элемента, нагревательный элемент и/или датчик температуры нагревательного элемента соединен/соединены со вторым/вторыми входом/входами АЦП, или датчик температуры нагревательного элемента выполнен цифровым и подключен ко второму цифровому входу микропроцессорного контроллера, при этом микропроцессорный контроллер приспособлен для формирования импульсных сигналов управления электронным коммутатором, а также для определения концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси с использованием предварительно записанных в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера зависимостей теплопроводности газовой смеси от концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси и ее давления, микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью определения теплопроводности газовой смеси путем обработки данных о величинах выходного тока электронного коммутатора, напряжения на нагревательном элементе и температуры этого нагревательного элемента, определяемой по величине электрического сопротивления нагревательного элемента или с помощью датчика температуры нагревательного элемента, с возможностью определения величины давления газовой смеси в сенсорной камере путем измерения скорости повышения и/или снижения температуры нагревательного элемента или скорости выравнивания температуры газовой смеси в неравновесных тепловых процессах при импульсном управлении электронным коммутатором с использованием зависимости этой скорости от давления газовой смеси, предварительно записанной в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера, а также последующего определения концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси в зависимости от ее теплопроводности при текущем значении давления в сенсорной камере.

2. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик температуры корпуса сенсорной камеры, соединенный с третьим/третьими входом/входами АЦП или выполненный цифровым и подключенный к третьему цифровому входу микропроцессорного контроллера, а микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью определения теплопроводности газовой смеси путем обработки данных о величинах выходного тока электронного коммутатора, напряжения на нагревательном элементе и разности температур нагревательного элемента и корпуса сенсорной камеры.

3. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик температуры газовой смеси или теплового потока, создаваемого нагревательным элементом, установленный в сенсорной камере и соединенный с четвертым/четвертыми входом/входами АЦП или выполненный цифровым и подключенный к пятому цифровому входу микропроцессорного контроллера, а микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью определения давления газовой смеси путем измерения температуропроводности газовой смеси с использованием выходного сигнала этого датчика и последующего преобразования полученного значения температуропроводности в давление газовой смеси с использованием зависимости между этими параметрами газовой смеси, предварительно записанной в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера.

4. Термокондуктометрический анализатор по п. 3, отличающийся тем, что датчик теплового потока установлен в сенсорной камере в направлении кондуктивного теплового потока, создаваемого нагревательным элементом, и выполнен в виде термопары, или батареи термопар, или анизотропного термоэлемента, действие которого основано на поперечном эффекте Зеебека.

5. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью определения теплопроводности газовой смеси с учетом зависимости этой теплопроводности от температуры газовой смеси, причем эта зависимость предварительно записана в энергонезависимую память микропроцессорного контроллера.

6. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью формирования широтно-импульсных сигналов управления электронным коммутатором, частота и скважность которых установлены таким образом, что температура нагревательного элемента находится в интервале между предварительно установленными максимальным и минимальным значениями этой температуры, а величина реализуемого повышения и/или снижения этой температуры установлена из условия обеспечения возможности определения давления газовой смеси путем обработки микропроцессорным контроллером данных о скорости повышения и/или снижения этой температуры.

7. Термокондуктометрический анализатор по п. 6, отличающийся тем, что микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью изменения частоты и/или скважности широтно-импульсных сигналов управления электронным коммутатором в зависимости от температуры и/или электрического сопротивления нагревательного элемента.

8. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен с положительным нормированным температурным коэффициентом электрического сопротивления в виде полупроводникового резистора, или платиновой, вольфрамовой, никелевой или танталовой нити, или пленки из одного из указанных материалов, нанесенной на подложку.

9. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что датчик температуры нагревательного элемента прикреплен к этому нагревательному элементу или выполнен в виде пленки, нанесенной на противоположную сторону подложки, которая приспособлена для передачи тепла от нагревательного элемента к датчику температуры.

10. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что во входных цепях АЦП установлен по меньшей мере один дифференциальный усилитель.

11. Термокондуктометрический анализатор по п. 10, отличающийся тем, что нагревательный элемент и датчик тока образуют одно плечо мостовой измерительной схемы, второе плечо которой образовано постоянными резисторами, а диагональ мостовой схемы подключена к входам АЦП или входам дифференциального усилителя, входящего в состав АЦП.

12. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что электронный коммутатор содержит встроенный контроллер, приспособленный для регулирования частоты, и/или скважности, и/или выходного тока электронного коммутатора.

13. Термокондуктометрический анализатор по п. 1 или 12, отличающийся тем, что встроенный контроллер электронного коммутатора или микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью регулирования частоты, и/или скважности, и/или выходного тока электронного коммутатора из условия поддержания температуры нагревательного элемента и амплитуды колебаний этой температуры в неравновесных тепловых процессах в сенсорной камере в заданных пределах.

14. Термокондуктометрический анализатор по п. 1 или 12, отличающийся тем, что встроенный контроллер электронного коммутатора или микропроцессорный контроллер выполнен с возможностью регулирования частоты, и/или скважности, и/или выходного тока электронного коммутатора из условия поддержания электрического сопротивления нагревательного элемента и амплитуды изменений этого сопротивления в неравновесных тепловых процессах в сенсорной камере в заданных пределах.

15. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен восприимчивым к заданному компоненту газовой смеси таким образом, что по меньшей мере одно его электрическое свойство изменяется в зависимости от присутствия этого компонента.

16. Термокондуктометрический анализатор по п. 15, отличающийся тем, нагревательный элемент выполнен с возможностью осуществления на его поверхности реакции каталитического окисления заданного компонента газовой смеси.

17. Термокондуктометрический анализатор по п. 1, отличающийся тем, что интерфейсное устройство приспособлено для проводной и/или беспроводной передачи на внешнее устройство информации о концентрации по меньшей мере одного компонента газовой смеси в аналоговой и/или цифровой форме.