Устройство для измерения концентрации газа Советский патент 1993 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик концентрации газов в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности измерения.

Достижение этой цели позволит значительно улучшить технику измерения и регулирования различных технологических процессов, связанных с производством химической продукции

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве преобразование

емкости в ток заменяется в предполагаемом устройстве преобразованием емкости в частоту, для чего полевой транзистор выступает в качестве управляемого газом емкостного элемента колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор - эмиттер биполярного транзистора, у которого базовый электрод соединен с источником полевого транзистора, коллектор соединен с затвором, а эмиттер со стоком Индуктивным элементом служит реактивная составляющая полного сопротивления на зажимах коллектор-эмиттер биполярного транзистоО

о

pa. Для увеличения общей эквивалентной индуктивности и подстройки контура параллельно зажимам эмиттер коллектор биполярного транзистора, включается внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости подзатворного диэлектрика под действием газа преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения концентрации газа.

Совокупность признаков неизвестных ранее, появляется за счет использования емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвор - сток полевого транзистора, которое включается параллельно полному сопротивлению с индуктивным характером на зажимах эмиттер-коллектор биполярного транзистора, что образует колебательный контур, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах эмиттер-коллектор биполярного транзистора в результате положительной обратной связи в цепях эмиттер - база и коллектор - эмиттер биполярного транзистора по постоянному и переменному токам. Резкая зависимость резонансной частоты контура от изменения емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвор - сток полевого транзистора за счет воздействия газа на затвор полевого транзистора повышает чувствительность и точность измерения концентрации определяемого газа.

На чертеже дана схема устройства.

Устройство для измерения концентрации газа содержит источник 1 управляющего постоянного напряжения, включенного параллельно зажимам эмиттер - коллектор биполярного транзистора 4 и последовательной цепочке, состоящей из пассивной индуктивности 5 и конденсатора 6, причем затвор полевого транзистора 3 соединен с эмиттером биполярного транзистора 4, исток соединен с базой, а исток с эмиттером, Газочувствительным элементом полевого транзистора 3 является активный слой под- затворного диэлектрика, на который воздействует поток газа, поступающий из источника 2. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора и общей шиной.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени газ не подается на затвор полевого транзистора 3. Повышением напряжения управляющего источника 1 до величины, когда биполярный транзистор 4 станет работать в активном

режиме, а полевой транзистор 3 и режиме насыщения, на зажимах эмиттер - коллектор биполярного транзистора 4 возникает отрицательное сопротивление, которое

приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах затвор - сток полевого

транзистора 3 и полным сопротивлением с индуктивным характером на зажимах эмиттер - коллектор биполярного транзистора 4. Индуктивность 5 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту, а емкость 6 предохраняет источник 1 управляющего напряжения от короткого замыкания через подстроечную индуктивность 5, а также, служит нагрузочным сопротивлением по переменному току,

с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче газа из источника 2 на затвор полевого транзистора 3 происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвор - сток

полевого транзистора 3, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.

Использование предлагаемого устройства для измерения концентрации газов по

сравнению .с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения индуктивного элемента на основе биполярного транзистора, а емкостного элемента в виде полевого транзистора измерительного колебательного контура, в котором изменение емкости под действием газа, обеспечивает эффективную перестройку частоты на выходе, а также за счет

реальной возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжения на выходе источника 1 питания.

45

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации газа, содержащее газопровод для подачи газэ, источник электропитания, подключенный к емкостному управляемому

0 элементу, электрически связанному с параллельно подключенным индуктивным элементом, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, в него введены биполяр5 ный транзистор, конденсатор и пассивная индуктивность, а индуктивный элемент выполнен в виде реактивного биполярного транзистора, причем база биполярного транзистора подключена к истоку полевого транзистора, коллектор биполярного транзистора подключен к затвору полевого транзистора, эмиттер биполярного транзистора подключен к стоку полевого транзистора, первый вывод пассивной индуктивности подключен к коллектору биполярного транзистора, затвору полевого-транзистора и первому полюсу источника питания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру биполярного транзистора, к стоку полевого транзистора и второму полюсу источника питания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование: аналитическое приборостроение. Сущность изобретения. Устройство осуществляет преобразование емкости в частоту, для чего полевой транзистор, выступающий в качестве емкостного преобразователя, используется еще дополнительно в виде усилительного элемента, причем затвор соединяется с коллектором, исток - с базой, а сток - с эмиттером биполярного транзистора. Конструкция устройства при подаче управляющего напряжения обеспечивает работу биполярного транзистора в активном режиме, а полевого - в режиме насыщения. При этом на зажимах коллектор - эмиттер биполярного транзистора возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, состоящем из параллельного соединения полных сопротивлений с индуктивной составляющей на зажимах эмиттер - коллектор биполярного транзистора и емкостной составляющей на заж.имах затвор - сток полевого транзистора. При подаче газа на газочувствительный затвор полевого транзистора происходит изменение емкости подзатворного диэлектрика, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвора - сток полевого транзистора, что, в свою очередь, изменяет резонансную частоту контура. 1 ил. Ё

ЛГМ

30Ј

i

б

Выход

1