Способ измерения концентрации газа и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01N27/16 

1

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам и способам для измерения концентрации газов, в частности,измерения концентрации горючих газов в воздухе, и может быть использовано в химической, нефтяной и газовой промьшшенности.

Целью изобретения является п овы- шение точности измерений.

Способ измерения концентрации газа с использованием разогреваемого электрическим током чувствительного

элемента, включенного совместно с компенсационным элементом в измерительную схему, заключается в том, что при поступлении на чувртвитель- ный элемент (ЧЭ) анализируемого газа балансируют измерительную схему, поддерживая температуру ЧЭ неизменной за счет того, что осуществляют управляемый теплообмен ЧЭ с окружающей средой с помощью теплового насоса, по параметрам питания которого определяют концентрацию анализируемого газа.

Балансировку измерительной схемы и соответственно поддержание температуры ЧЭ неизменной по способу осуществляют либо изменением амплитуды тока питания теплового насоса, либо изменением длительности импульсов тока питания теплового насоса, поддерживая неизменньм амш1:итуду и частоту этих импульсов либо частоты импульсов тока питания теплового насоса, поддерживая неизменными их длительность и амптштуду либо изменением среднего значения знакопеременного тока питания теплового насоса при неизменном его средкеквадра- тическом (действующем) значении. Концентрацию газа определяют после балансировки измерительной схемы соответственно по амплитуде тельности-или частоте импульсов, либо по среднему значению тока питания теплового насоса.

Устройство для измерения концентрации газа содержит установленньй в корпусе ЧЭ, включенный совместно с компенсационным элементом (КЗ) в измерительную схему, подключенную к усилителю, выход которого соединен с устройством стабилизации температуры ЧЭ. Устройство стабилизации температуры ЧЭ. выполнено в виде теплового насоса, установленного между чувствительным элементом и корпусом причем выход усилителя соединен с управляюгцим входом теплового насоса Кроме того, устройство для изме рения концентрации газа может быть снабжено средством стабилизации среднеквадратического значения тока питания теплового насоса с регулятором среднего значения тока, установленным между выходом усилителя и управляющим входом теплового насоса Средство стабилизации среднеквадратического значения тока питания теплового насоса с регулятором среднего значения тока может быть выполнено в виде преобразователя напряжения в широтно-имщшьсный сигнал фиксированной амплитуды и фиксированной частоты имщшьсов прямоугольной формы, либо средство стабилизации среднеквадратического значения тока питания теплового насоса с регулято ром среднего значения тока выполнено в виде преобразователя напряжения в частотно-импульсный .сигнал фисированной- амплитуды и фиксированно

5

0

5

0

5

0

45

50

55

длительности импульсов прямоугольной формы.

На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ измерения концентрации газа, в котором балансировку измерительной схемы осуществляют регулированием амплитуды тока. питания теплового насоса (управляющего сигнала теплового насоса) и оп- ределяют концентрацию газа по ам- 1глитуде тока , на фиг.2 показана схе ма устройства, реализующего способ, в котором балансировку измерительной схемы осуществляют регулированием длительности управляемого сигнала теплового насоса (длительности импульсов тока питания) и определяют концентрацию газа по длительности импульсов или по среднему значению тока питания теплового насоса; на фиг.З показана схема устройства,реализующего способ измерения, в котором балансировку измерительной схемы осуществляют регулированием частоты импульсов управляющего сигнала теплового насоса (частоты импульсов тока питания) и определяют концентрацию газа по частоте импульсов ипи по среднему значению тока питания теплового насоса на фиг.4 показана схема устройства, реализующего способ измерения, в котором балансировку измерительной схемы осуществляют регулированием среднего значения тока питания термоэлектрического теплового насоса при неизменном средне- квадратическом значении тока и определяют концентрацию газа по среднему значению тока на фиг.5 показана схема устройства для измерения концентрации газа, использующего для управления работой теплового насоса выходной сигнал усилителя ,на фиг.6 показана схема устройстваj использующего для управления работой теплового насоса выходной сигнал средства стабилизации среднеквадратического значения тока с регулятором среднего значения.

Устройство включает помещенные в корпус 1 чувствительньй 2 и компрн- сационный 3 элементы и тепловой насос 4, а также резисторы 5 и 6,образующие вместе с чувствительным и компенса1щонным элементами 2 и 3 измерительную 7, источник питания 8 измерительной схемы, регулируе- мьш источник тока 9, измеритель тока

5

10 и указатель 11 равновесия измерительной схемы 7.

Одна из диагоналей измерительно схемы 7 подключена к выходу источнка питания 8, а вторая диагональ соединена со входом указателя 11.

Регулируемьй источник тока 9 через измеритель тока 10 соединен с управляющим входом теплового насо- са 4.

Чувствительный элемент 2 может быть выполнен в виде металлической нити, покрытой катализатором. Компесационный элемент 3 аналогичен чув- ствительному, но не покрыт катализатором. КЭ 3 может быть размещен как в измерительной камере 1 (в этом случае он должен быть теплоизолирован от ЧЭ), так и вне ее (в само- стоятельной сравнительной камере, аналогичной по конструкции измерительной камере).

В качестве источника питания 8 может быть использован стандартный стабилизатор постоянного тока. В качестве регулируемого источника тока 9 может быть использован стандартный источник постоянного тока с регулируемым выходным сигналом.

В качестве измерителя тока 10 может быть использован стандартный амперметр магнитоэлектрической системы. Б качестве указателя 11 может быть использован стандартный микроамперметр магнитоэлектрической системы.

Тепловой насос А может быть выполнен в виде стандартного термоэлектрического теплового насоса по

«

одной из известных конструктивных

схем. В частности он содержит две полупроводниковые плаЬтины 12 (фиг.1 разной проводимости (р-типа и п-ти- па), электрически соединенные между собой металлическим покрытием, нанесенным на диэлектрическую теплопроводную пластину 13. Электроды 14, имеющие электрический контакт с пластинами 12, служат для подключения источника питания к тепловому насосу (для подключения управляющего сигнала к тепловому насосу).Теп- лопроводящая диэлектрическая пластина 15 имеет тепловой контакт с теп- лопроводным корпусом 1 и с торцами пластин 12. Диэлектрическая теплопроводная пластина 13 имеет тепло- , вой контакт с чувствительным элемен

IQ

1520

25 .jo

40

35

45

0

5

706

том 2 и выполняет функции одной из рабочих поверхностей теплового насоса 4. Диэлектрическая теплопроводная пластина 15 выполняет функции второй рабочей поверхности теплового насоса 4.

Тепловой насос 4 может быть выполнен также в виде тепловой трубы с управляемой теплопроводностью по одной из известных конструктивных схем.

Способ измерения может быть реализован с помощью устройства, схема которого показана на фиг.2. Устройство содержит помещенные в корпус 1 ЧЭ 2 и КЭ 3 и тепловой насос 4,имеющий тепловой контакт одной из рабочих поверхностей с чувствительным элементом 2, а второй - с корпусом 1, а также резисторы 5 и 6, образующие вместе с чувствительным и компенсационными элементами измерительную схему 7, указатель равновесия 11 измерительной схемы 7, генератор 16 импульсов регулируемой длительности, измеритель 17 длительности импульсов и измеритель 18 среднего значения.

Выход генератора 16 импульсов регулируемой длительности соединен с цепью питания (с управляющим входом) теплового насоса 4, со входом измерителя 17 длительности импульсов и со входом измерителя 18 среднего значения.

В качестве генератора 16 импульсов регулируемой длительности может быть использован стандартный генератор импульсов прямоугольной формы с регулируемой длительностью. В качестве измерителя 17 длительности импульсов может быть использован стандартный частотомер-, включенный в режим измерения длительности импульсов. В качестве измерителя 18 среднего значения может быть использован стандартньй миллиамперметр (или вольтметр) магнитоэлектрической системы. В случае использования миллиамперметра он включается последовательно в цепь питания теплового насоса 4, а в случае использования вольтметра он включается параллельно к цепи питания теплового насоса 4.

Способ измерения может быть реализован с помощью устройства, схема которого показана на фиг.З. Устройство содержит помещенные в корпус 1 чувствительный 2 и компенсационный

3 элементы, тепловой насос 4, имеющий тепловой контакт одной из рабочих поверхностей с чувствительным элементом 2, а второй - с корпусом 1, а также резисторы 5 и 6, образующие вместе с ЧЭ и КЭ измерительную схему 7, источник питания 8 измерительной схемы 7, указатель 11 равновесия измерительной схемы 7, измеритель 18 среднего значения, генератор 19 импульсов регулируемой частоты, измеритель частоты 20. I Выход генератора 19 импульсов соединен с цепью питания (с управляющим входом) теплового насоса, со входом измерителя 18 среднего значения и со входом измерителя 20 частоты.

В качестве генератора 19 импульсов регулируемой частоты может быть использован стандартньй генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой.

В качестве измерителя 19 частоты может быть использован стандартный частотомер.

Способ измерения может быть реализован с помощью устройства, схема которого показана на фиг,4. Устройство содержит помещенные в корпус 1 ЧЭ 2 и КЭ 3 (фиг.4) и тепловой насос 4, имеющий тепловой контакт одной из рабочих поверхностей с чувствительным элементом 2, а второй - с корпусом 1, а также резисторы 5 и 6, образующие вместе с элементами 2 и 3 измерительную схему 7, указа- т ель 11 равновесия измерительной схемы 7, генератор 21 знакопеременных импульсов с регулируемой длительностью разнополярных частей импульсов, измеритель 18 среднего значения тока и измеритель 22 среднеквадрати- ческого значения тока.

Выход генератора 21 соединен с цепью питания (с управляющим входом) теплового насоса 4, измерители 18 и 22 включены последовательно в цепь питания теплового насоса 4.

В качестве генератора 21 импульсов может быть использован стандартный генератор прямоугольных двухпо- лярных импульсов, позволяющий регулировать длительности разнополярных частей импульсов.

В качестве измерителя 21 среднего значения тока может быть использован стандартньй миллиамперметр ма

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нитоэлектрической системы. В качестве измерителя 22 среднеквадратичес- кого значения тока может быть использован стандартньй миллиамперметр термоэлектрической системы.

Способ измерения концентрации горючего газа осуществляют следующим образом.

В исходном состоянии при отсутст-, ВИИ в камере 1 анализируемого газа и при нулевом токе питания теплового насоса 4 производят балансировку измерительной схемы 7 (фиг.1) изменением сопротивления одного из резисторов 5 или 6. Момент достижения состояния равновесия определяют по нулевым показаниям указателя 11. При этом температура ЧЭ 2 и КЭ 3 равны друг другу и равны токи, протекающие через эти элементы.

При подаче анализируемого газа в камеру 1 на поверхности ЧЭ 2 (вследствие наличия катализатора) происходит каталитическое беспламенное сгорание газа и вьщеляется дополнительное количество тепла От, пропорциональное концентрации анализируемого газа, т.е. измерительная схема 7 выходит из состояния равновесия, что определяют по указателю 1 1 .

Далее производят балансиррвку измерительной схемы 7 путем управляемого теплообмена ЧЭ 2 с окружающей средой, что выполняют регулированием тока питания теплового насоса 4 (регулированием величины тока на выходе источника 9). В момент достижения состояния равновесия измерительной схемы 7 (определяемьй по указателю 11) фиксируют значение тока питания теплового насоса 4 (по показаниям измерителя тока 10) и по параметрам, например, амплитуде тока питания теплового насоса судят об измеряемой концентрации .

При использовании для реализации способа измерения устройства согласно фиг.2 процесс измерения осуществляют следующим образом.

После подачи анализируемого раза на чувствительньй элемент 2 производят балансировку измерительной схемы 7 путем управляемого теплообмена чувствительного элемента 2 с окружающей средой, вьтолняемого путем регулирования длительности прямоугольных импульсов тока питания теплового

9

насоса 4, поступающих от генератора

импульсов 16. При этом поддерживают неизменными амплитуду к частоту прямоугольных импульсов, а после достижения равновесия измерительной схемы (определяемому по указателю 11) с помощью измерителя 17 определяют длительность импульсов тока питания теплового насоса 4, по которой судя об измеряемой концентрации газа.Концентрация газа может быть также определена по показаниям измерителя 1 среднего значения.

При использовании для реализации способа измерения устройства (фиг.З процесс измерения осуществляют следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии в камере 1 анализируемого газа и при нулевом значении тока в цепи питания теплового насоса 4 производят балансировку измерительной схемы изменением сопротивления одного из резисторов 5 или 6. После подачи анализируемого газа на чувствительный элемент 2 (фиг.З) производят балансировку измерительной схемы 7 путем управляемого теплообмена ЧЭ 2 с окружающей средой, осуществляемого с помощью теплового насоса 4 путем регулирования частоты следования импульсов тока, поступающих в цепь питания теплового насоса 4 от генератора 19 импульсов регулируемой частоты При этом поддерживают неизменными амплитуду и длительность прямоугольных импульсов тока питания, а после достижения равновесия измерительной схемы 7 (определяемого по указателю 11) с помощью измерителя 20 частоты определяют частоту следования импульсов тока питания теплового насоса 4, по которой судят о концентрации анализируемого газа. Концентрация газа может быть определена также по среднему значению тока питания теплового насоса 4, т.е. по показаниям измерителя 18,

При использовании для реализации способа измерения устройства (фиг.4) процесс измерения осуществляют следующим образом.

Предварительно балансируют измерительную схему изменением сопротив- ления одного из резисторов 5 или 6 при отсутствии анализируемого газа в камере 1 и при нулевом токе пита- - ния теплового насоса 4.

ю

15

20 5 0 о

5

17010

После подачи анализируемого газа вновь производят балансировку измерительной схемь 7 (фиг.4) путем регулирования среднего значения тока питания термоэлектрического теплового насоса 4 при неизменном средне- квадратическом значении этого тока. Указанная операция выполняется с помощью генератора 21 двухполярных импульсов, регулированием длительностей разнополярных частей прямоугольных имп льсову при этом по показаниям измерителя 22 контролирз тот среднеквадратическое значение тока питания теплового насоса, которое поддерживают постоянньм, а после достижения состояния равновесия измерительной схемы 7 по показаниям измерителя 18 среднего значения тока определяют концентрацию газа. В процессе балансировки амплитуду и частоту имщшьсов тока питания теплового насоса сохраняют неизменными (для поддержания неизменным среднеквадра- тического значения тока питания).

Так как согласно эффекту Пельтье количество тепла, отведенного термоэлектрическим тепловым насосом,пропорционально первой степени тока питания теплового насоса и зависит о т направления тока ( полярности тока), то, регулируя среднее значение тока питания теплового насоса (которое зависит, в частности, от соотношения длительностей разнополярных частей импульсов), можно .осуществить управляемый отвод тепла от ЧЭ и добиться балансировки измерительной схемы. Среднеквадратическое значение тока питания теплового насоса не зависит от полярности импульсов тока питания и поэтому при неизменной амплитуде и частоте следования импульсов не зависит от соотношения длительностей разнополярных импульсов.

Рассмотренные варианты реализации способа измерения концентрации газа целесообразно применять в следующих случаях.

Реализация способа согласно фиг. 1 наиболее проста и может быть использована при конструировании переносных газоанализаторов.

Схемы согласно фиг.2 и 3 наиболее целесообразно применять при создании приборов, реализьтощих данный способ, предназначенных для работы в системах телеизмерения, когда не1 14

обходимо результаты измерения передавать на значительные расстояния.В этих случаях .широтно-импульсные и частотно-импульсные выходные сигналы наиболее помехоустойчивы и не искажаются при воздействии помех на jm- нии связи.

Реализацию способа согласно фиг.4 наиболее целесообразно применять для построения приборов, предназначенных для точных измерений концентраций , изменяющихся в широком динд- мическом диапазоне. „В этих случаях ток;питания термоэлектрического теп- лового насоса также изменяется в широком динамическом диапазоне. В этих условиях схема фиг.4 исключает появление дополнительной погрешности измерения, связанной с неидеальность применяемых тепловых насосов (исключает влияние активного сопротивления материала термоэлектрического теплового насоса на результат измерения).

Устройство для измерения концен- трации газа содержит измерительную камеру, образованную корпусом 1 (фиг.5), в которой размещены ЧЭ 2 и тепловой насос 4, а также измерительную схему 7 и усилитель 23.

Измерительная схема 7 образованная ЧЭ 2, КЗ 3 и резисторами 5 и 6, представляет собой мостовую схему, одна диагональ которой подключена к клеммам 24 источника питания, а другая, диагональ служит выходом измери I тельной схемы 7 и подключена ко входу усилителя 23. Выход усилителя 23 соединен с управляющим входом теплового насоса 4 и с выходными клекпма- ми 25 устройства.

Тепловой насос установлен между ЧЭ 2 и корпусом 1 измерительной камеры .

Корпус 1 измерительной камеры выполнен из теплопроводного материала, например из металла, и имеет отверстия для подачи в измерительную камеру анализируемого газа.

При выполнении устройства дл5( измерения концентрации газ а согласно фиг.6 между выходом усилителя 23 и управляющим входом теплового насоса 4 установлен блок 26, выполняющий функции средства стабилизации сред неквадратического значения тока и регулйтором среднего значения тока. Выход блока 26 соединен также с выходными клеммами 25 устройства.

;-

Q g ю ,,

25 gg

35

40

45

50

55

70,.12

Блок 26 может быть выполнен в виде преобразователя напряжения в ши- ротно-импульсный или частотно-импульсный двухполярньш сигнал прямоугольной формы по одной из стандартных схем.

Устройство для измерения концентрации газа работает следующим образом.

Электрический ток от источника питания, подключенного к клеммам 24 (фиг.5), протекает через ЧЭ 2 и КЗ 3 и разогревает зти элементы. В исходном состоянии при отсутствий в измерительной камере 1. анализируемого газа производят балансировку (уравновешивание) измерительной схемы 7 измене нием величин резисторов 5 -и 6, при этом добиваются нулевого вы- .ходного сигнала усилителя 23.

Разбаланс измерительной схемы, вызванный окислением горючего газа на ЧЭ 2, вызьгоает изменение сигнала на выходе усилителя 23. Выходной сигнал усилителя 23 поступает .на управляющий вход теплового насоса 4 (на электроды 14). Протекание тока через термоэлектрический тепловой насос 4 приводит (вследствие эффекта Пельтье) к отводу тепла от ЧЭ 2 к корпусу 1 измерительной камеры. Поэтому температура ЧЭ 2 поддерживается постоянной и равной температуре КЭ 3, а измерительная схема 7 автоматически поддерживается в состоянии равновесия.

При выполнении теплового насоса 4 в виде тепловой трубы с управляемой теплопроводностью процесс изме- рения протекает аналогичным образом. Увеличение сигнала на выходе усилителя 23, вызванное разбалансом измерительной схемы при подаче анализируемого газа в измерительную камеру, приводит к изменению (увеличению) теплопроводности тепловой трубы, чем и компенсируется дополнительное тепловыделение ЧЭ 2.

В установившемся режиме измерительная схема 7 находится в состоянии равновесия, т.е.- дополнительное выделение тепла вследствие сгорания газа на ЧЭ полностью компенсируется отводом тепла, осуществляемым тепловым насосом. По параметрам управляющего сигнала теплового насоса определяют значение концентрации газа . Выходным сигналом устройства служит

1 3

либо напряжение на управляющем вход теплового насоса, либо ток в цепи управления теплового насоса.

Устройство дая измерения концентрации газа согласно фиг.6 работает следующим образом.

При подаче анализируемого газа в измерительную камеру 1 происходит его каталитическое окисление на ЧЭ 2 щ (фиг.2), что приводит к разбалансу измерительной схемы 7 и к появлению сигнала на выходе усилителя 23 и на входе блока 26. Выходной сигнал усилителя 23 подвергается широтно-им- ,,.

ПУЛЬСНЫЙ или частотно-импульсный МОДУЛяции блоком 26. Импульсный выход- НОИ сигнал блока 26 поступает на управляющий вход теплового насоса 4 что приводит к отводу тепла тепловьм ,„ насосом 4 от ЧЭ 2 и к уравновешива- ° ию измерительной схемы 7.

При выполнении блока 26 в виде реобразователя напряжения в широтно- мпульсный сигнал или вькодным сиг- ос алом устройства может быть разность лительностей разнополярных импульов, частота импульсов, либо среднее начение тока.

Таким образом, параметры управяющего сигнала теплового насоса ропорциональны значению концентраии газа.

с не че те ме че пи ко це ле ме са сх ход ста ног ес точ бил го го ств чем рав

Формула изобретени

1. Способ измерения концентрации гза с использованием разогреваемого электрическим током чувствительного элемента, включенного совместно с компенсационным элементом в измерь- тельную схему, заключающийся в том что при поступлении на чувствитель- ньш элемент анализируемого газа балансируют измерительную схему, поддерживая температуру чувствительног элемента неизменной, отличающийся тем, что, с целью повьппе ния точности измерений, температуру чувствительного элемента, поддержи- вают неизменной за счет того, что осуществляют управляемьй теплообмен чувствительного элемента с окружающей средой с помощью теплового насоса, по параметрам питания которого определяют концентрацию анали- зируемого газа.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю- ш и и с я тем, что температуру

щ ,,.

,„ °

ос

5

7014

чувствительного элемента поддерживают неизменной изменением амплитуды тока питания теплового насоса и по амплитуде тока определяют концентрацию газа.

3. Способ по П.1, отличающийся тем, что температуру чувствительного элемента поддерживают неизменной изменением длительности импульсов тока питания теплового насоса, поддерж11вая неизменными амплитуду и частоту этих импульсов, а концентрацию газа определяют по длительности импульсов или по среднему значению тока теплового насоса.

4, Способ по П.1, отличающийся тем, что температуру чувствительного элемента поддерживают неизменной изменением частоты импульсов тока питания теплового насоса поддерживая неизменными их длительность и амшштуду, а концентрацию газа определяют по частоте или по среднему значению тока теплового насоса.

5. Способ по П.1, отличающийся тем, что температуру чувствительного элемента поддерживают неизменной изменением среднего значения знакопеременного тока питания теплового насоса, поддерживая неизменным его среднеквадратичное значение, и по среднему значению тока питания теплового насоса определяют концентрацию газа. 6. Устройство для измерения концентрации газа, содержащее установленный в корпусе чувствительный элемент, включенный совместно с компенсационным элементом в измерительную схему, подключенную к усилителю, выход которого соединен с устройством стабилизации температуры чувствительного элемента, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерений, устройство стабилизации температуры чувствительного элемента выполнено в виде теплового насоса, установленного между чувствительным элементом и корпусом,причем выход усилителя соединен с управляющим входом теплового насоса.

°

55

7 о Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено средством стабилизации средне- квадратичного значения тока питания теплового насоса с регулятором сред15

1462170

него значения тока, установленным . между выходом усилителя и управляю- ащм входом теплового насоса.

8. Устройство по п.7, о т л и- чающееся тем, что средство стабилизации среднеквадратичного значения тока питания теплового насоса ic регулятором среднего значения тока выполнено в виде преобразователя на- лряжения в широтно-импульсньш сигнал фиксированной амплитуды и фиксирован 6

ной частоты импульсов прямоугольной формы.

9. Устройство по п.7, о т л и- ч а ю щ е е с я тем, что средство стабилизации среднеквадратичного значения тока питания теплового насоса с регулятором среднего значения тока выполнено в виде преобразователя напряжения в частотно-импульсньш сигнал фиксированной амплитуды и фиксированной длительности импульсов прямоугольной формы.

Фиг. 5

.6