Электрохимический газоанализатор Советский патент 1992 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для измерения концентрации компонентов воздуха рабочей зоны и атмосферы.

Известны способы электрохимического анализа газов, реализуемые в электрохимических газоанализаторах, содержащих датчик в виде электрохимической ячейки (ЭХЯ) с измерительным и вспомогательным электродами, потенциостат для поддержания постоянного потенциала на измерительном электроде относительно сравнительного электрода, подключенный к одному из входов потенциостата источник установочного напряжения и выходной измерительный преобразователь.

Недостатком таких анализаторов является сравнительно большое время выхода на режим, обусловленное влиянием паразитной емкости ЭХЯ.

Известен газоанализатор, в котором применена компенсация паразитной емкости ЭХЯ. Для этой цели в газоанализаторе применен специальный блок компенсации, который вырабатывает напряжение компенсации влияния емкости

DKC КСЯ dllnofl/dt,(1)

где К- коэффициент пропорциональности;

Ся - паразитная емкость ЭХЯ;

dUnofl/dt - производная поляризующего напряжения.

Однако вследствие того, что паразитная емкость ЭХЯ, которая образуется двойным

О

Јь

XI

слоем ячейки, зависит от напряжения поляризации, полной компенсации паразитной емкости таким способом добиться невозможно.

Известен газоанализатор, компенсация паразитной емкости в котором осуществляется с помощью нелинейной управляемой индуктивности, включенной в тракт измерения и образующей с датчиком параллельный контур во всем диапазоне рабочих напряжений.

Для каждого мгновенного рабочего напряжения вырабатывается сигнал, подаваемый на нелинейную индуктивность. Контур, образуемый нелинейной индуктивностью и паразитной емкостью датчика, настроен в резонанс, поэтому емкостный ток при изменении напряжений на датчике постоянно скомпенсирован.

Недостатками прототипа являются низкая точность компенсации, обусловленная низкой добротностью контура, составленного из паразитной емкости датчика и нелинейной индуктивности, большие габариты и вес, задаваемые нелинейной индуктивностью, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, что существенно для газоанализаторов индивидуального пользования.

Целью изобретения является повышение точности измерений, уменьшение габаритов и веса.

Поставленная цель достигается тем, что ток компенсации влияния паразитной емкости пропускают через двухполюсник, частотная зависимость проводимости которого повторяет частотную зависимость проводимости между электродами. Кроме того, бло- ки измерительного усилителя и вычитающего устройства совмещены, введена дополнительно корректирующая частотно-зависимая цепочка, частотная зависимость проводимости которой соответствует частотной зависимости проводимости на переменном токе электрохимической ячейки. Выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом устройства для поддержания постоянного потенциала на измерительном электроде. Первый вход вычитающего устройства соединен с одним из токовых электродов электрохимической ячейки, второй вход вычитающего устройства через корректирующую частотно-зависимую цепочку соединен с вторым токовым электродом электрохимической ячейки, а выход вычитающего устройства соединен с измерительным устройством.

Существенность отличий заключается в том, что в предлагаемом устройстве ток компенсации влияния паразитной емкости пропускают через двухполюсник, частотная зависимость проводимости которого на переменном токе повторяет частотную зависимость проводимости между электродами, в то время как в прототипе - через нелинейную индуктивность. При этом величину нелинейной индуктивности нужно выбирать как минимум несколько генри, так

как при паразитной емкости, составляющей несколько тысяч микрофарад, другим путем повысить добротность контура невозможно.

Габариты и вес такой индуктивности,

которая должна содержать ферромагнитный сердечник, значительно больше, чем габариты и вес элементов в предлагаемом устройстве.

С другой стороны, паразитная емкость,

шунтируя внутреннее сопротивление электрохимической ячейки, создает высокую проводимость ячейки, причем растущую с ростом частоты. В результате этого шумы и наводки, которых много, если учесть, что

электрохимическая ячейка подключается к входу чувствительного усилителя, легко проходят через электрохимическую ячейку и усиливаются измерительным усилителем, что резко понижает точность измерений.

Подключение параллельно электрохимической ячейке нелинейной индуктивности, как это сделано в прототипе, не позволяет ослабить помехи, которые продолжают беспрепятственно проходить через электрохимическую ячейку, минуя индуктивность.

В предлагаемом устройстве помехи поступают одновременно на входы электрохимической ячейки и корректирующей

частотно-зависимой цепочки, через которые поступают на входы вычитающего устройства. Поскольку частотные зависимости про- водимостей электрохимической ячейки и корректирующей частотно-зависимой цепочки идентичны, помехи вычитаются и подавляются, вследствие чего точность измерения в предлагаемом устройстве выше.

На фиг. 1 приведена блок-схема электрохимического анализатора газов; на фиг. 2 - корректирующая частотно-зависимая цепочка, пример выполнения.

Устройство содержит устройство 1 для поддержания постоянного потенциала на измерительном электроде электрохимической ячейки 2, вычитающее устройство 3, измерительное устройство 4, корректирующую частотно-зависимую цепочку 5 и измерительный усилитель 6.

Выход устройства 1 соединен с одним из токовых электродов электрохимической ячейки 2 (под токовыми электродами электрохимической ячейки подразумеваются те электроды, через которые протекает ток, несущий информацию о концентрации, т.е. рабочий и вспомогательный электроды, в отличие от нетокового сравнительного электрода), и одновременно с входом корректирующей частотно-зависимой цепочки 5 второй токовый электрод электрохимической ячейки 2 и выход корректирующей частотно-зависимой цепочки 5 соединены с входами вычитающего устройства 3, а выход вычитающего устройства 3 соединен с входом измерительного устройства 4.

Корректирующая частотно-зависимая цепочка 5 (фиг. 2) содержит п последовательных цепочек 6, 7, 8... с различными постоянными времени.

Электрохимический анализатор газа (фиг. 1) работает следующим образом.

Поляризующее напряжение от устройства 1 через входное сопротивление одного из входов вычитающего устройства 4 подается на электроды электрохимической ячейки 2. По электрохимической ячейке 2 протекает ток. Сигнал, пропорциональный величине тока, усиливается вычитающим устройством 3 и постоянная составляющая этого сигнала подается на измерительное устройство 4 для измерения концентрации анализируемого газа.

Электрохимическую ячейку 2 можно представить как параллельное соединение паразитной емкости Ся и активного сопротивления Ря. При этом напряжение помех на одом из входов вычитающего устройства 3 Ui UBx-RrY,(2)

где UBX - напряжение источника помех;

RI - входное сопротивление вычитающего устройства 3 по входу электрохимической ячейки;

Уя - внутренняя проводимость электрохимической ячейки.

Внутренняя проводимость электрохимической ячейки

Yfl-Ga + YnflGJ).(3)

где Ся - внутренняя проводимость электрохимической ячейки в стационарном режиме;

YnQft) )- паразитная внутренняя проводимость электрохимической ячейки; (it- угловая частота.

Напряжение источника помех UBX прикладывается также через корректирующую частотно-зависимую цепочку 5 на второй вход вычитающего устройства 3. Величина этого напряжения

U2 UBX R2 YK (|а ),. (4)

где RZ - входное сопротивление вычитающего устройства 3 по второму входу;

Ук.(Ш ) - внутренняя проводимость кор- ректирующей частотно-зависимой цепочки 5. Напряжение помех на выходе вычитающего устройства 3

UЈ Ui-U2 UBxRiGa + UBx RlYnG w)-R2 xY2(jo).(5)

Минимальное напряжение помех на выходе вычитающего устройства 3 будет при полной компенсации и равно

UЈ UBX Ri . (6)

Следовательно, условие полной ком- пенсации будет следующим

YK(|ftO- Yn(jf4 .(7)

Это означает, что зависимость проводимости от частоты корректирующей частот- но-зависимой цепочки 5 должна быть такой же, как зависимость от частоты проводимости электрохимической ячейки 2.

Вторая теорема разложения Хевисайда

Y(t)

Vfpi) Р

(8)

i 1 pi W(pi) где V(p) и W(p) - соответственно многочлены числителя и знаменателя изображения функции;

Y(t) - переходная проводимость;

pi - корни многочлена знаменателя, позволяет представить проводимость любой электрической цепи в виде суммы прово- димостей элементарных последовательных

RLC цепочек. Поэтому внутреннюю проводимость любого двухполюсника можно заменить суммой внутренней проводимости п параллельно включенных последовательных RLC цепочек.

Если все корни многочлена изображения являются действительными, то это озна- чает, что процесс апериодический, характеризующийся монотонно изменяющейся переходной проводимостью, что имеет место в электрохимических ячейках.

Так как внутренняя проводимость электрохимической ячейки имеет емкостный характер, то она может быть замещена параллельно включенными последовательными RC цепочками, изображенными на фиг. 3.

Как показывает эксперимент, вполне

удовлетворительную аппроксимацию переходной проводимости электрохимической

ячейки можно достигнуть с помощью трех

RC цепочек, т.е. п 3.

Таким образом напряжение помех, появляющееся на электрохимической ячейке 2, создает ток через саму электрохимическую ячейку 2, который поступает на один из входов вычитающего устройства 3, а также ток через корректирующую, частотно-зависимую цепочку 5 (фиг. 3), который поступает на второй вход вычитающего устройства 3. В результате сигнал помех на входе измерительного устройства 4 в сотни раз ослабляется, что позволяет повысить точность измерений. Полезный сигнал - изменение тока электрохимической ячейки 2, пропорциональное концентрации анализируемого газа, - поступает толь ко на один вход вычитающего устройства 3, так как корректирующая частотно-зависимая цепочка 5 не пропускает постоянную составляющую. Вследствие этого ослабления полезного сигнала не происходит.

0

5

Изобретение позволяет повысить точность измерений в 2-3 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения Электрохимический газоанализатор, содержащий электрохимическую ячейку, по- тенциостат, первичный преобразователь, блок компенсации величины комплексного сопротивления первичного преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, блок компенсации выполнен в виде не менее трех параллельно соединенных последовательных RC-цепочек, причем вход блока компенсации соединен с входом электрохимической ячейки.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для измерения концентрации компонентов воздуха рабочей зоны и атмосферы. Цель изобретения - повышение точности измерений. Величина ЭДС полезного сигнала, возникающая внутри электрохимической ячейки, и зависящая от концентрации анализируемого газа и напряжения помех, появляющегося вне и внутри электрохимической ячейки, поступает на один из входов вычитающего устройства, а напряжение помех через корректирующую частотно-зависимую цепочку - на второй вход вычитающего устройства. Функцию зависимости от частоты проводимости корректирующей частотно-зависимой цепочки подбирают токой же, как у примененной электрохимической ячейки. Таким образом напряжение помех компенсируется и не поступает на вход измерительного устройства. Схема корректирующей частотно-зависимой цепочки состоит из нее менее трех параллельно соединенных последовательных RC-цепочек с разными постоянными времени, причем вход блока компенсации соединен с входом электрохимической ячейки. & ил. ) (Л с

Фиг.1