УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ПРИМЕСНЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2018 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области экологии, в частности к измерительной аппаратуре на основе газовых датчиков, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.

Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов так называемых парниковых газов в атмосферу, являющихся одной из причин изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанности государств, подписавших Парижский протокол 2015 г. Известные методы аналитической химии неоперативны, трудоемки и связаны с расходом дополнительных ресурсов (в виде реактивов).

Высоким быстродействием обладают датчики, в которых в качестве чувствительного элемента, реагирующего на присутствие газов и паров изменением электропроводности являются оксидные полупроводниковые пленки с примесями других металлов [см.. Заявка ФРГ, №2651160, кл. G.01.N, 27/12, 1978 г. - аналог].

Известен «Селективный газовый сенсор» патент RU №2137115, 27/12, 1999 г. - аналог. Устройство аналога содержит подложку с резистивным подогревным слоем на одной ее стороне и полупроводниковой оксидной пленкой, легированной оксидами других металлов, на другой стороне. В качестве оксида основного слоя используют оксид металла валентной группы не ниже детектируемого газа, а характеристики селективности: рабочая температура T₀ и эквивалентная добротность Q_э рассчитываются по регрессионным зависимостям:

;

,

где μ, μ₀ - молярные веса детектируемого газа и воздуха соответственно;

W - валентность материалов легирования;

n - количество элементов поликристаллического легирования;

δ/d - отношение толщины примесного слоя к толщине полупроводникового слоя основного оксида.

Недостатками аналога следует считать:

- пересекающиеся селективные характеристики смежных газов, их широкая полоса ;

- нестабильность калибровочной характеристики из-за нестабильности тока подогрева оксидного слоя и питающего напряжения.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Электронный газовый сепаратор», Патент RU №2130178, 1999 г. Устройство ближайшего аналога включает чувствительный элемент на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивный подогревный слой на другой ее стороне, усилитель и индикатор, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде набора единичных газовых детекторов из номенклатуры сепарируемых газов, параллельно подключенных на вход измерительного тракта и состоящих из операционного усилителя с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи, с эталонным и реагирующим на газ элементами в ее смежных плечах, а измерительный тракт содержит N последовательных идентичных усилительных каскадов по схеме операционного усилителя с магазином сопротивлений, ступенчато переключаемых на каждый тип газа и выполняющих функции сопротивления обратной связи и эталонного элемента в качестве регулируемого сопротивления входной цепи.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- ручная регулировка ступенчато-переключаемого сопротивления обратной связи, снижающая время экспресс-анализа;

- невизуальность формы представления результатов сепарирования.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в увеличении скорости и достоверности экспресс-анализа газовых компонент путем выбора устойчивой схемы электронной компоновки единичного датчика и адресном сравнении текущих измерений с калибровочной характеристикой задействуемого датчика.

Поставленная задача решается тем, что устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере выполнено из набора контроллеров, совместимых с ПЭВМ, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой подключения в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, а ее измерительная диагональ, посредством канального коммутатора, поочередно, с темпом ниже времени адсорбции детектируемого газа, подключена на вход измерительного тракта из последовательно включенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, оперативного запоминающего устройства, синхронизацию работы перечисленных элементов обеспечивает программируемая схема выборки измерений, в которую закладывают телекоммуникационную программу, формируемую на ПЭВМ, на винчестер которой предварительно записывают калибровочные характеристики всех газовых датчиков контроллеров с их адресами.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - функциональная схема устройства;

фиг. 2 - зависимость сопротивления датчика от концентрации примесного газа;

фиг. 3 - характеристики избирательности газовых датчиков;

фиг. 4 - калибровочные характеристики газовых датчиков;

фиг. 5 - форма представления результатов экспресс-анализа.

Устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере фиг. 1 выполнено из набора контроллеров 1, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков 2 с электронной схемой в составе стабилизатора напряжения 3, стабилизатора тока подогрева 4, мостовой схемы 5, в одно из плеч которой включен датчик 2, измерительная диагональ мостовой схемы 5, посредством канального коммутатора 6, поочередно подключается на вход измерительного тракта 7 из последовательно соединенных операционного усилителя 8, аналогово-цифрового преобразователя 9, буферного запоминающего устройства 10, схемы сравнения 11, соединенных с программируемой схемой выборки измерений 13, синхронизирующей работу элементов 6, 7, 8, 9, 10, 11 посредством закладки в нее телекоммуникационной программы от ПЭВМ 12 в составе элементов: процессора 14, оперативного запоминающего устройства 15, винчестера 16, дисплея 17, принтера 18, клавиатуры 19.

На винчестер 16 в цифровом виде записывают калибровочные характеристики газовых датчиков всех контроллеров с их адресами. Схема 11 сравнивает амплитуду сигнала текущего измерения с калибровочной характеристикой адресного датчика, на ее выходе формируют сигнал экспресс-анализа. Результат экспресс-анализа распечатывают на принтере 18. Форма представления результата экспресс-анализа примесных газов иллюстрируется рисунком фиг. 5.

Динамика взаимодействия элементов устройства состоит в следующем. Известно уравнение Менделеева-Клапейрона, в соответствии с которым газы характеризуются газовой постоянной, равной ≈2 ккал/моль град. Поскольку молярный вес газов различен, то удельная теплоемкость газов изменяется в довольно широких пределах. Этим обусловлена различная адсорбционная активность оксидных полупроводниковых пленок к детектируемому газу. На графике фиг. 2 иллюстрируется зависимость сопротивления газового датчика от концентрации примесного газа. Для каждого газа существует «резонансная» температура максимальной чувствительности датчика. Семейства селективных характеристик газовых датчиков иллюстрируется графиками фиг. 3. Выходная характеристика газовых датчиков существенно нелинейна при малых концентрациях детектируемого газа, а при больших концентрациях наступает насыщение. Поэтому текущий результат измерений необходимо калибровать, т.е. сравнивать с эталонной характеристикой. Для этого в заявленном устройстве создают базу эталонных калибровочных характеристик газовых датчиков всех контроллеров и помещают ее в постоянное запоминающее устройство 16 ПЭВМ 12. Последнее позволяет реализовать экспресс-анализ в темпе измерений путем калибровки текущего измерения в схеме сравнения 11. Пример калибровочных характеристик двух типов примесных газов иллюстрируется графиками фиг. 4. Датчики находятся в подключенном состоянии. Для стабильности и точности измерений в электронной схеме датчиков предусмотрены стабилизатор тока, стабилизатор напряжения и мостовая схема измерений в режиме разбалансировки [см., например, «Справочник по радиоэлектронике» под редакцией А.А. Куликовского, Энергия, М., 1968 г., стр. 181-183, Мостовая схема измерений]. Темп измерений задает программируемая схема выборки, управляющая канальным коммутатором. Интервал измерений должен быть достаточным для адсорбции примесного газа в полупроводниковую пленку. Время осреднения серийных газовых датчиков составляет менее 0,1 сек. Синхронизация работы элементов устройства достигается специализированной телекоммуникационной программой, написанной на языке программирования «Ассемблер».

Текст программы экспресс-анализа:

Программа опроса датчиков для микроконтроллера ATmega328P состоит из основной программы main.asm, hextobcd.asm. Так же используется файл-вложение с определением мнемоник m328Pdef.inc.

Листинг программы main.asm:

RESET:

Листинг подпрограммы interrupts.asm:

Листинг подпрограммы macr.asm:

Листинг подпрограммы hextobcd.asm:

Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе и средствах аналогов. Канальный коммутатор и аналогово-цифровой преобразователь выполнены на многофункциональном блоке, модуль 3560-L, фирмы Bruel & Kjer (Дания). Операционный усилитель ОУ тип К 1446 УД5 [см. Операционные усилители, Ж. Марше, пер. с фр., Л., Энергия, 1974 г., стр. 150-194]. Управляющая ПЭВМ (Notebook) типа ASUS, Eee PC 1201 PN, на функциональных возможностях которой реализована база калибровочных характеристик газовых датчиков с их адресами, программируемая схема выборки измерений и схема сравнения.

Эффективность устройства характеризуется высокой точностью измерений концентрации примесных газов, оперативностью, достоверностью.

Изобретение может быть использовано в санитарно-эпидемиологическом контроле промышленных регионов. Устройство выполнено из набора контроллеров, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, измерительная диагональ мостовой схемы, посредством канального коммутатора, поочередно подключается на вход измерительного тракта из последовательно соединенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, соединенного с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу элементов посредством закладки в нее телекоммуникационной программы от ПЭВМ в составе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства, винчестера, дисплея, принтера, клавиатуры. Изобретение обеспечивает оперативность, достоверность, точность измерений, наглядность формы представления экспресс-анализа. 5 ил.

Устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере выполнено из набора контроллеров, совместимых с ПЭВМ, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой подключения в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, а ее измерительная диагональ, посредством канального коммутатора, поочередно, с темпом ниже времени адсорбции детектируемого газа, подключена на вход измерительного тракта из последовательно включенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, оперативного запоминающего устройства, синхронизацию работы перечисленных элементов обеспечивает программируемая схема выборки измерений, в которую закладывают телекоммуникационную программу, формируемую на ПЭВМ, на винчестер которой предварительно записывают калибровочные характеристики всех газовых датчиков контроллеров с их адресами.