RU2709051C1 - Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor - Google Patents

Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2709051C1
RU2709051C1 RU2019115590A RU2019115590A RU2709051C1 RU 2709051 C1 RU2709051 C1 RU 2709051C1 RU 2019115590 A RU2019115590 A RU 2019115590A RU 2019115590 A RU2019115590 A RU 2019115590A RU 2709051 C1 RU2709051 C1 RU 2709051C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heater
sensor
temperature
analyte
determined
Prior art date
Application number
RU2019115590A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Григорьевич Бондарь
Екатерина Олеговна Брежнева
Ростислав Евгеньевич Чернышов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority to RU2019115590A priority Critical patent/RU2709051C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2709051C1 publication Critical patent/RU2709051C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: gas analyzers.
SUBSTANCE: use: for use in gas analyzers of combustible gases. Essence of the invention consists in the fact that the method consists in stabilizing the temperature of the heater of the sensitive element of the sensor by varying the duty ratio of the program-controlled PWM generator using, as a feedback signal, the voltage amplitude on the heater of the sensor element, made in the form of a resistance thermometer, concentration of combustible gases is determined through difference in duration of PWM pulses, which maintain constant temperature of sensitive element of sensor in presence of combustible gases and their absence, wherein the latter is determined by calculation method through values of pulse duration PWM determined during calibration and stored in microcontroller memory for two different ambient temperatures and values of temperatures, as well as by current value of ambient temperature, wherein temperature sensor must have stable sensitivity and linear characteristic.
EFFECT: higher accuracy of measuring concentration of combustible gases by a catalytic sensor.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в газоанализаторах горючих газов.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in gas analyzers of combustible gases.

Для детектирования горючих газов в настоящее время активно применяются каталитические датчики, имеющие высокое быстродействие, длительный срок службы и низкую стоимость. Каталитические газочувствительные датчики обычно содержат два элемента – чувствительный (активный) и компенсационный (пассивный), заключённые в корпус с газопроницаемой мембраной. Элементы представляют собой нагреватели и, одновременно, термометры сопротивления (например, платиновые), заключённые в керамические капсулы. Капсула чувствительного элемента покрыта каталитическим слоем (платина и другие). Элементы подогреваются током внешнего источника до температуры, при которой на поверхности чувствительного элемента может происходить каталитическое окисление горючих газов. Типовое включение датчика – мостовая схема (фиг.1) [Дрейзин В.Э. Моделирование каталитического датчика водорода / В. Э. Дрейзин, Е.О. Брежнева, О. Г. Бондарь // Известия ЮЗГУ. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76]. For the detection of combustible gases, catalytic sensors with high speed, long service life, and low cost are currently actively used. Catalytic gas-sensitive sensors usually contain two elements - sensitive (active) and compensation (passive), enclosed in a housing with a gas-permeable membrane. Elements are heaters and, at the same time, resistance thermometers (for example, platinum), enclosed in ceramic capsules. The capsule of the sensor is coated with a catalytic layer (platinum and others). The elements are heated by the current of an external source to a temperature at which catalytic oxidation of combustible gases can occur on the surface of the sensitive element. A typical inclusion of the sensor is a bridge circuit (figure 1) [V. Dreizin Modeling a catalytic hydrogen sensor / V. E. Dreizin, E.O. Brezhnev, O. G. Bondar // News of South-Western University. 2011. Part 1. No. 5 (38). S. 69-76].

В отсутствие горючих газов температура элементов одинакова, а мост сбалансирован. Появление в газовой смеси горючих газов (аналитов - ГОСТ Р 52361-2005) в присутствии кислорода приводит к окислительным процессам на поверхности чувствительного элемента и возрастанию его температуры. В идеальном случае каталитическая реакция на компенсационном элементе не происходит, а его назначение – компенсация влияния параметров окружающей среды. Сопротивление чувствительного элемента растёт, мост разбалансируется и на его измерительной диагонали появляется напряжение ΔU. In the absence of combustible gases, the temperature of the elements is the same, and the bridge is balanced. The appearance in the gas mixture of combustible gases (analytes - GOST R 52361-2005) in the presence of oxygen leads to oxidative processes on the surface of the sensitive element and an increase in its temperature. In the ideal case, a catalytic reaction on the compensation element does not occur, and its purpose is to compensate for the influence of environmental parameters. The resistance of the sensor increases, the bridge is unbalanced and the voltage ΔU appears on its measuring diagonal.

Однако в реальных преобразователях элементы влияют друг на друга из-за взаимного подогрева, что снижает чувствительность датчика. Различие температурных коэффициентов сопротивления нагревателей, функционирующих при разных температурах, приводит к неполной компенсации влияния температуры окружающей среды. Велика нелинейность характеристики из-за нелинейности мостовой схемы, изменения температурного коэффициента сопротивления нагревателей, выполняющих кроме подогрева функции термометров сопротивления, и скорости протекания реакции горения при изменении температуры. При больших концентрациях аналита температура чувствительного элемента существенно возрастает по сравнению с температурой в его отсутствии, что способствует загрязнению поверхности капсулы продуктами сгорания примесей, содержащихся в воздухе, её растрескиванию, потери чувствительности и сокращению срока службы датчика. Кроме того, существует вероятность «горения датчика» при высоких концентрациях аналита, проявляющаяся в саморазогреве даже при снятии напряжения питания и приводящая к спеканию датчика и его отказу.However, in real converters, the elements influence each other due to mutual heating, which reduces the sensitivity of the sensor. The difference in temperature coefficients of resistance of heaters operating at different temperatures leads to incomplete compensation of the influence of ambient temperature. The non-linearity of the characteristic is large due to the non-linearity of the bridge circuit, changes in the temperature coefficient of resistance of heaters, which, in addition to heating, perform the functions of resistance thermometers, and the rate of the combustion reaction when the temperature changes. At high analyte concentrations, the temperature of the sensitive element increases significantly compared to the temperature in its absence, which contributes to contamination of the surface of the capsule by the products of combustion of impurities contained in the air, its cracking, loss of sensitivity, and shortening the life of the sensor. In addition, there is a possibility of “sensor burning” at high analyte concentrations, manifesting itself in self-heating even when the supply voltage is removed and leading to sintering of the sensor and its failure.

Известен способ ослабления этих эффектов, особенность которого состоит в поддержании постоянной температуры чувствительного элемента. При попадании аналита на чувствительный элемент растёт его температура, а, следовательно, и сопротивление нагревателя. Цепь обратной связи отслеживает изменение падения напряжения на нагревателе и уменьшает мощность, подаваемую на датчик, тем самым стабилизируя его температуру. Данный режим позволяет линеаризовать выходную характеристику датчика, исключить выгорание, и спекание катализатора, и тем самым увеличить срок службы.A known method of attenuating these effects, the feature of which is to maintain a constant temperature of the sensing element. When an analyte gets on a sensitive element, its temperature increases, and, consequently, the resistance of the heater. The feedback circuit monitors the change in voltage drop across the heater and reduces the power supplied to the sensor, thereby stabilizing its temperature. This mode allows you to linearize the output characteristic of the sensor, to eliminate burnout, and sintering of the catalyst, and thereby increase the service life.

Известна реализация изотермического режима, осуществленная с использованием аналоговой схемотехники [Manginell, R. P. Moreno Electro-thermal modeling of a microbridge gas sensor / R. P. Manginell, J. H. Smith, A. J. Ricco, R. C. Hughes, D. J. Moreno // Sandia National Laboratories, Albuguergue, NM87185-1080. - 1997. - Р. 360-371]. В источнике приведена схема аналогового устройства, обеспечивающего изотермический режим, и содержащего: усилитель токового канала, дифференциальный усилитель, формирующий сигнал пропорциональный напряжению на чувствительном элементе, аналоговый делитель с выходным сигналом, пропорциональным сопротивлению элемента, и цепь обратной связи с усилителем и регулирующим элементом. Однако реализация на аналоговой элементной базе весьма громоздка, а аналоговый делитель имеет низкую точность. Изменение температуры окружающей среды, изменяет мощность, подводимую к чувствительному элементу и снижает точность измерений.The implementation of the isothermal mode using analog circuitry is known [Manginell, RP Moreno Electro-thermal modeling of a microbridge gas sensor / RP Manginell, JH Smith, AJ Ricco, RC Hughes, DJ Moreno // Sandia National Laboratories, Albuguergue, NM87185-1080 . - 1997. - R. 360-371]. The source shows a diagram of an analog device providing an isothermal mode, and containing: a current channel amplifier, a differential amplifier that generates a signal proportional to the voltage on the sensing element, an analog divider with an output signal proportional to the resistance of the element, and a feedback circuit with the amplifier and the regulating element. However, the implementation on the analog element base is very cumbersome, and the analog divider has low accuracy. Changing the ambient temperature, changes the power supplied to the sensitive element and reduces the accuracy of the measurements.

Наиболее близким решением является способ и устройство стабилизации параметров нагревателя чувствительного элемента датчика (далее нагревателя), который принят за прототип [Патент РФ №2304278, G01N27/12 «Способ стабилизации параметров микронагревателя измерительного элемента газового датчика и устройство для его осуществления», 10.08.2007, Бюл. № 22]. Способ стабилизации параметров заключается в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до рабочей температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют один из параметров нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора сигнал, пропорциональный величине этого параметра, при этом нагревают нагреватель чувствительного элемента, выполненный в виде термометра сопротивления с каталитическим слоем, импульсами тока стабилизированной амплитуды, в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную сопротивлению нагревателя, и стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к длительности паузы tИ/ТПАУЗА в сигнале управления, подаваемом с выхода ШИМ генератора.The closest solution is the method and device for stabilizing the parameters of the heater of the sensor sensor element (hereinafter referred to as the heater), which is adopted as the prototype [RF Patent No. 2304278, G01N27 / 12 “Method for stabilizing the parameters of the microheater of the measuring element of the gas sensor and device for its implementation”, 10.08.2007 , Bull. No. 22]. A method of stabilizing the parameters is that the heater of the sensor's sensitive element is heated to operating temperature by electric pulses controlled by a PWM generator, while one of the heater parameters is stabilized by supplying a signal proportional to the value of this parameter to the feedback input of the PWM generator this is heated by the heater of the sensing element, made in the form of a resistance thermometer with a catalytic layer, stabilized amplitude current pulses Here, as a feedback signal for the PWM generator, use the value of the amplitude voltage drop across the heater proportional to the resistance of the heater and stabilize the resistance of the heater by changing the ratio of the pulse duration to the pause duration t AND / T PAUSE in the control signal supplied from the output of the PWM generator.

Таким образом, электрически поддерживается величина активного сопротивления нагревателя, который одновременно является термометром сопротивления. Поскольку температура термометра сопротивления однозначно связана с его сопротивлением, то поддержание сопротивления автоматически означает поддержание его температуры. Величина сигнала, пропорционального сопротивлению нагревателя, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе с помощью, например, амплитудного детектора.Thus, the resistance value of the heater, which is also a resistance thermometer, is electrically supported. Since the temperature of a resistance thermometer is uniquely related to its resistance, maintaining a resistance automatically means maintaining its temperature. The value of the signal proportional to the resistance of the heater is extracted from the pulse train of the voltage drop across the heater using, for example, an amplitude detector.

Одновременно, из той же последовательности выделяется сигнал, пропорциональный электрической мощности, выделившейся на нагревателе.At the same time, a signal proportional to the electric power released on the heater is extracted from the same sequence.

При отсутствии аналита чувствительный элемент датчика, находится в тепловом равновесии с постоянно обновляющимся газовым окружением. Это равновесие характеризуется подводом вполне определенного количества электрической энергии. In the absence of analyte, the sensitive element of the sensor is in thermal equilibrium with a constantly updated gas environment. This equilibrium is characterized by the supply of a very specific amount of electrical energy.

Сигнал, пропорциональный этому количеству электрической энергии, выделяется из последовательности импульсов падения напряжения на нагревателе чувствительного элемента датчика соответствующим блоком в виде среднего действующего значения напряжения.A signal proportional to this amount of electrical energy is extracted from the sequence of impulses of the voltage drop on the heater of the sensor element by the corresponding unit in the form of the average effective voltage value.

При появлении аналита, на каталитическом слое начинает выделяться дополнительная тепловая энергия, связанная с происходящими здесь химическими превращениями. При этом для поддержания установленной температуры требуется подвод меньшего количества электроэнергии.When the analyte appears, additional thermal energy associated with the chemical transformations occurring here begins to be released on the catalytic layer. Moreover, to maintain the set temperature requires the supply of less electricity.

В случае применения датчика термокаталитического типа, именно это уменьшение в потреблении электроэнергии, компенсируемое подводом дополнительного тепла от термокаталитической реакции, и является требуемым результатом, который выделяется в блоке выделения сигнала, пропорционального электрической мощности, и передается в блок отображения информации, шкала которого в этом случае тарируется в единицах концентрации аналита.In the case of using a thermocatalytic type sensor, it is this decrease in energy consumption, compensated by the supply of additional heat from the thermocatalytic reaction, that is the desired result, which is allocated in the signal allocation unit proportional to the electric power, and transmitted to the information display unit, the scale of which in this case calibrated in units of analyte concentration.

Недостатком данного решения является влияние температуры окружающей среды на результат измерения. При изменении температуры окружающей среды будет изменяться электрическая мощность, подводимая к нагревателю чувствительного элемента датчика, что будет приводить к изменению выходных показаний датчика при отсутствии изменения концентрации аналита. Кроме того, имеется источник погрешности, связанный с выделением из последовательности прямоугольных импульсов действующего значения напряжения, преобразованием его в значение мощности рассеиваемой нагревателем датчика и определением её приращения за счёт термокаталитической реакции.The disadvantage of this solution is the influence of the ambient temperature on the measurement result. When the ambient temperature changes, the electric power supplied to the heater of the sensor sensitive element will change, which will lead to a change in the output readings of the sensor in the absence of a change in the analyte concentration. In addition, there is a source of error associated with the selection of the current voltage value from the sequence of rectangular pulses, converting it into the power value of the sensor dissipated by the heater and determining its increment due to the thermocatalytic reaction.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение погрешностей, связанных с колебаниями температуры окружающей среды и определением приращения мощности, за счёт термокаталитической реакции, с которым связана измеряемая концентрация газа. The technical problem to which the invention is directed is to reduce errors associated with fluctuations in ambient temperature and determining the power increment due to the thermocatalytic reaction with which the measured gas concentration is associated.

Для достижения указанного результата предложен способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком, заключающийся в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика нагревают до заданной температуры электрическими импульсами, управление которыми осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют температуру нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную его сопротивлению зависящему от температуры, при этом нагревают нагреватель импульсами тока источника стабильного напряжения, протекающими через нагреватель и последовательно включённый опорный резистор, в качестве сигнала обратной связи для ШИМ генератора используют величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, при этом стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к периоду tИ/ТПЕРИОДА (коэффициент заполнения) в сигнале управления, подаваемом с выхода программно управляемого ШИМ генератора, запоминая значение длительности импульса tИ, при этом информативным параметром пропорциональным мощности выделяемой при каталитической реакции и, следовательно, концентрации аналита является разность длительностей импульсов t0, соответствующего отсутствию аналита и tИ, соответствующего наличию аналита, причём длительность импульса для случая отсутствия аналита t0 определяется расчётным методом по результатам измерения текущей температуры окружающей среды ТС и на основании результатов калибровки в отсутствии аналита, представляющих собой длительности ШИМ-импульсов t1 и t2 при двух температурах окружающей среды ТС1 и ТС2 и значения этих температур, по формуле

Figure 00000001
.To achieve this result, a method for measuring gas concentration by a catalytic sensor is proposed, which means that the heater of the sensor sensor element is heated to a predetermined temperature by electric pulses controlled by a PWM generator, while stabilizing the temperature of the heater by supplying the value of the PWM generator feedback the amplitude of the voltage drop across the heater, proportional to its resistance, depending on the temperature, while heating The voltage pulses of a stable voltage source flowing through the heater and a series-connected reference resistor use the amplitude voltage drop across the heater as a feedback signal, while stabilizing the heater resistance by changing the ratio of the pulse duration to the period t AND / T PERIOD ( duty cycle) in the control signal supplied from the output of a software-controlled PWM generator, remembering the value of the pulse duration t AND , at The informative parameter proportional to the power released during the catalytic reaction and, consequently, the analyte concentration is the difference in pulse durations t 0 corresponding to the absence of analyte and t AND corresponding to the presence of analyte, and the pulse duration for the case of analyte absence t 0 is determined by the calculation method based on the results of measuring the current temperature ambient T and C on the basis of the results of calibration in the absence of analyte, representing the PWM pulse duration t 1 and t 2 at dd x ambient temperatures T C1 and T C2 and the values of these temperatures by the formula
Figure 00000001
.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – Мостовая схема включения каталитического датчика; фиг. 2 – Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способThe invention is illustrated by drawings: FIG. 1 - Bridge circuit of the catalytic sensor; FIG. 2 - Block diagram of a device that implements the proposed method

Рассмотрим способ измерения детальнее.Consider the measurement method in more detail.

Уравнение теплового баланса чувствительного элемента датчика при наличии и отсутствии аналита:The equation of the heat balance of the sensor element in the presence and absence of analyte:

Figure 00000002
(1)
Figure 00000002
(1)

Figure 00000003
(2)
Figure 00000003
(2)

где PЭ, PЭ0 – электрические мощности, выделяющиеся на чувствительном элементе датчика при наличии и в отсутствии аналита соответственно, PХ – дополнительная мощность, выделяющаяся на чувствительном элементе датчика за счёт химической реакции каталитического окислении аналита, R – сопротивление чувствительного элемента датчика (в изотермическом режиме не зависит от наличия или отсутствия аналита), UА, IА, UА0, IА0 – действующие значения напряжений и токов, чувствительного элемента датчика при наличии и отсутствии аналита, соответственно, TИ, ТС – температура чувствительного элемента датчика и температура окружающей среды, соответственно, δТ – коэффициент теплоотдачи чувствительного элемента датчика.where P E , P E0 are the electric power released on the sensor element in the presence and absence of analyte, respectively, P X is the additional power released on the sensor element due to the chemical reaction of the catalytic oxidation of the analyte, R is the resistance of the sensor element (in isothermal mode does not depend on the presence or absence of an analyte), U A, I A, U A0, I A0 - effective values of voltages and currents, sensing element in the presence and absence of analyte, matching but, T and T C - the temperature sensing element and the ambient temperature, respectively, δ T - heat transfer coefficient of the sensitive sensor element.

Калибровка осуществляется при двух температурах окружающей среды ТС1 и ТС2 в отсутствие аналита. При этом мощности, выделяющиеся на чувствительном элементе датчика равны соответственно:Calibration is carried out at two ambient temperatures T C1 and T C2 in the absence of analyte. In this case, the power released on the sensor element of the sensor are equal, respectively:

Figure 00000004
(3)
Figure 00000004
(3)

Figure 00000005
(4)
Figure 00000005
(4)

При известных мощностях P1, P2 и измеренных температурах ТС1 и ТС2 из (3) и (4) находим:At known powers P 1 , P 2 and measured temperatures T C1 and T C2 from (3) and (4) we find:

Figure 00000006
(5)
Figure 00000006
(5)

Figure 00000007
(6)
Figure 00000007
(6)

Подставляя вычисленные значения в (2), получим расчётное значение мощности, выделяемой на чувствительном элементе датчика в отсутствие аналита: Substituting the calculated values in (2), we obtain the calculated value of the power released on the sensor element in the absence of analyte:

Figure 00000008
(7)
Figure 00000008
(7)

Вычитая из (7) (1) и решая относительно PX, получим:Subtracting from (7) (1) and solving for P X , we get:

Figure 00000009
(8)
Figure 00000009
(8)

Среднее значение мощности, выделяющейся при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) равно мгновенной мощности умноженной на коэффициент заполнения КЗ, равный отношению длительности импульса к периоду ШИМ.The average value of the power released during pulse-width modulation (PWM) is equal to the instantaneous power multiplied by the duty cycle K 3 equal to the ratio of the pulse duration to the PWM period.

Мгновенные мощности, выделяющиеся при протекании тока через нагреватель определяются через мгновенные значения напряжения и тока нагревателя:The instantaneous power released during the flow of current through the heater is determined through the instantaneous values of the voltage and current of the heater:

Figure 00000010
(9)
Figure 00000010
(9)

где UM, IAM – амплитуды напряжений и токов.where U M , I AM are the amplitudes of voltages and currents.

Амплитудное значение тока нагревателя чувствительного элемента можно определить по падению напряжения на опорном резисторе, включённом последовательно с ним, и тогда мгновенная мощность:The amplitude value of the current of the heater of the sensitive element can be determined by the voltage drop across the reference resistor, connected in series with it, and then the instantaneous power:

Figure 00000011
(10)
Figure 00000011
(10)

где U0M – амплитуда падения напряжения на опорном резисторе, R0 – величина сопротивления опорного резистора. where U 0M is the amplitude of the voltage drop across the reference resistor, R 0 is the resistance value of the reference resistor.

При этом амплитуда падения напряжения на опорном резисторе определяется вычитанием амплитуды падения напряжения на чувствительном элементе датчика из напряжения источника стабильного напряжения. Так как параметры нагревателя стабилизируются, то мгновенные значения напряжений, токов и электрических мощностей в установившихся режимах являются константами независящими от температуры окружающей среды и концентрации аналита, а средние значения мощностей будут определяться коэффициентами заполнения широтно-модулированных импульсов и зависят от перечисленных факторов. Выражая все мощности через мгновенную мощность и соответствующие коэффициенты заполнения ШИМ, получим:In this case, the amplitude of the voltage drop across the reference resistor is determined by subtracting the amplitude of the voltage drop across the sensor element from the voltage of the stable voltage source. Since the parameters of the heater are stabilized, the instantaneous values of voltages, currents, and electric powers in steady-state conditions are constants independent of the ambient temperature and analyte concentration, and the average power values will be determined by the duty cycle of the pulse-width modulated pulses and depend on the factors listed. Expressing all the power through the instantaneous power and the corresponding duty cycle of the PWM, we get:

Figure 00000012
(11)
Figure 00000012
(eleven)

где КЗ1=t1/TПЕРИОДА, КЗ2=t2/TПЕРИОДА, КЗ=tИ/TПЕРИОДА, а t1, t2, tИ – длительности импульсов пропорциональные соответствующим мощностям (выделяемой на чувствительном элементе электрической мощности в отсутствии аналита при температурах окружающей среды ТС1 и ТС2 и электрической мощности в присутствии аналита при температуре окружающей среды ТС). Подставляя значения коэффициентов заполнения в (11) получим:where K Z1 = t 1 / T PERIOD , K З2 = t 2 / T PERIOD , K З = t AND / T PERIOD , and t 1 , t 2 , t AND are pulse durations proportional to the corresponding powers (allocated to the sensitive element of electric power in the absence of analyte at ambient temperatures T C1 and T C2 and electrical power in the presence of analyte at ambient temperature T C ). Substituting the values of the fill factors in (11) we obtain:

Figure 00000013
(12)
Figure 00000013
(12)

С учётом того, что концентрация аналита пропорциональна мощности химической реакции каталитического окисления:Given the fact that the concentration of the analyte is proportional to the power of the chemical reaction of catalytic oxidation:

Figure 00000014
(13)
Figure 00000014
(thirteen)

где K – калибровочная константа, определяется при калибровке устройства (обычно при концентрации аналита, соответствующей ½ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР),where K is the calibration constant, determined during the calibration of the device (usually at an analyte concentration corresponding to ½ of the lower concentration limit of flame propagation - LEL),

Figure 00000015
- представляет собой расчётную длительность ШИМ импульса в отсутствие аналита при температуре окружающей среды во время измерения концентрации аналита, tИ – длительность импульса, соответствующая электрической мощности, выделяющейся на чувствительном элементе при измерении концентрации аналита.
Figure 00000015
- represents the calculated duration of the PWM pulse in the absence of analyte at ambient temperature during the measurement of the analyte concentration, t AND is the pulse duration corresponding to the electric power released on the sensitive element when measuring the analyte concentration.

Следует обратить внимание на то, что в выражении (13) используется лишь отношение разностей температур. Это позволяет при измерении температуры игнорировать смещение функции преобразования датчика температуры и отклонение чувствительности от номинального значения, т.е. требуется лишь линейность функции преобразования. При этом ТС1 и ТС2 калибровочные константы, значения которых измеряются при калибровке с помощью датчика температуры и сохраняются в постоянной памяти микроконтроллера, а ТС текущая температура окружающей среды, измеряемая с помощью того же датчика.It should be noted that in expression (13) only the ratio of temperature differences is used. This allows the temperature measurement to ignore the shift of the conversion function of the temperature sensor and the deviation of sensitivity from the nominal value, i.e. only the linearity of the transformation function is required. At the same time, T C1 and T C2 are calibration constants, the values of which are measured during calibration using a temperature sensor and are stored in the microcontroller’s permanent memory, and T C is the current ambient temperature measured using the same sensor.

Выбор температур окружающей среды при калибровке осуществляется исходя из требований к диапазону рабочих температур и возможностей применяемых средств. При этом желательно максимальное их разнесение.The selection of ambient temperatures during calibration is based on the requirements for the range of operating temperatures and the capabilities of the means used. In this case, their maximum diversity is desirable.

При применении программно управляемого ШИМ генератора (на основе, например, таймеров, встроенных в микроконтроллеры), коэффициенты заполнения и, следовательно, длительности импульсов в установившемся режиме являются известными регулируемыми величинами, обеспечивающими поддержание постоянной температуры и непосредственно определяет электрическую мощность, выделяющуюся на нагревателе чувствительного элемента. Поэтому никаких измерений электрической мощности нагревателя, ухудшающих точность измерения проводить не надо. Абсолютное значение падения напряжения на чувствительном элементе может отклоняться от номинального значения, но должна быть обеспечена его стабильность. When using a software-controlled PWM generator (based, for example, on timers integrated in microcontrollers), duty cycle and, therefore, steady-state pulse widths are known adjustable values that maintain a constant temperature and directly determine the electric power released by the sensor’s heater . Therefore, no measurements of the electric power of the heater that impair the accuracy of the measurements are not necessary. The absolute value of the voltage drop across the sensing element may deviate from the nominal value, but its stability must be ensured.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.In FIG. 2 presents a structural diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство состоит из нагревателя 1 чувствительного элемента датчика, являющимся одновременно термометром сопротивления, заключённым в капсулу, покрытую катализатором; источника стабильного напряжения 2; ключа 3, формирующего импульсы стабильной амплитуды на последовательно соединённых опорном резисторе 4 и чувствительном элементе датчика 1; микроконтроллера 5; датчика температуры 6; устройства индикации 7.The device consists of a heater 1 of the sensor element, which is also a resistance thermometer enclosed in a capsule coated with a catalyst; stable voltage source 2; a key 3, which generates pulses of stable amplitude on a series-connected reference resistor 4 and the sensing element of the sensor 1; microcontroller 5; temperature sensor 6; indicating devices 7.

Выходы источника стабильного напряжения 2 подключены к последовательно соединённым нагревателю 1, опорному резистору 4 и ключу 3, а также к входам питания микроконтроллера 5 и входам питания датчика температуры 6; управляющий вход ключа 3 подключен к выходу 1 микроконтроллера 5, являющимся выходом ШИМ генератора реализованного на встроенном программно управляемом таймере; с точки соединения нагревателя 1 и опорного резистора 4 напряжение подаётся на вход 3 микроконтроллера 5, являющийся входом встроенного аналого-цифрового преобразователя; выход датчика температуры подключен к входу 4 микроконтроллера 5, являющегося вторым входом встроенного аналого-цифрового преобразователя; выход 2 микроконтроллера 5 присоединен к устройству индикации 7. The outputs of the stable voltage source 2 are connected to a series-connected heater 1, a reference resistor 4 and a key 3, as well as to the power inputs of the microcontroller 5 and the power inputs of the temperature sensor 6; the control input of the key 3 is connected to the output 1 of the microcontroller 5, which is the output of the PWM generator implemented on the built-in software-controlled timer; from the connection point of the heater 1 and the reference resistor 4, the voltage is supplied to the input 3 of the microcontroller 5, which is the input of the built-in analog-to-digital converter; the output of the temperature sensor is connected to input 4 of the microcontroller 5, which is the second input of the built-in analog-to-digital converter; the output 2 of the microcontroller 5 is connected to the display device 7.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Широтно-модулированные импульсы с выхода 1 микроконтроллера 5 поступают на управляющий вход ключа 3, представляющего собой полевой транзистор с изолированным затвором и низким сопротивлением открытого канала. Импульсы напряжения с источника стабильного напряжения 2 через ключ 3 поступают на последовательно соединённые опорный резистор 4 и нагреватель 1 чувствительного элемента датчика. The pulse-width modulated pulses from the output 1 of the microcontroller 5 are fed to the control input of the key 3, which is a field-effect transistor with an isolated gate and low open channel resistance. The voltage pulses from the source of stable voltage 2 through the key 3 are fed to a series-connected reference resistor 4 and the heater 1 of the sensor sensor element.

При открытом ключе 3 амплитуда падения напряжения на нагревателе 1 преобразуется встроенным аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и сравнивается с расчётным значением, соответствующим номинальной температуре чувствительного элемента при которой идёт термокаталитическая реакция. При отклонении от расчётного значения программно изменяется длительность импульсов ШИМ в следующем периоде и, следовательно, среднее значение за период ШИМ мощности подогрева. В установившемся режиме температура чувствительного элемента остаётся стабильной. Длительность импульса ШИМ сохраняется в качестве параметра, несущего информацию о мощности выделяемой на чувствительном элементе датчика. Температура окружающей среды преобразуется датчиком температуры 6 в постоянное напряжение (примером такого датчика может служить интегральный датчик температуры LM35 фирмы National Semiconductor) и периодически преобразуется в цифровой код встроенным аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера 5.With the key 3 open, the amplitude of the voltage drop across the heater 1 is converted by the built-in analog-to-digital converter into a digital code and compared with the calculated value corresponding to the nominal temperature of the sensitive element at which the thermocatalytic reaction occurs. When deviating from the calculated value, the PWM pulse duration changes programmatically in the next period and, therefore, the average value for the PWM period of the heating power. In steady state, the temperature of the sensor remains stable. The pulse width of the PWM is stored as a parameter that carries information about the power allocated to the sensor element. The ambient temperature is converted by a temperature sensor 6 to a constant voltage (an example of such a sensor is the National Semiconductor integrated temperature sensor LM35) and is periodically converted to digital code by the built-in analog-to-digital converter of the microcontroller 5.

Концентрация аналита вычисляется в соответствии с выражением (13), в котором в режиме калибровки в отсутствие аналита измеряются и запоминаются в качестве констант температуры ТС1, ТС2 и соответствующие им значения длительностей импульсов ШИМ t1 и t2, пропорциональные мощностям нагревателя P1 и P2, обеспечивающим номинальное значение температуры чувствительного элемента в изотермическом режиме при соответствующих температурах окружающей среды. Коэффициент К определяется при калибровке устройства (обычно при концентрации аналита, соответствующей ½ нижнего концентрационного предела распространения пламени – НКПР) и также сохраняется в памяти микроконтроллера 5. Его определение целесообразно осуществлять при температуре окружающей среды ТС1. Занесение констант в память микроконтроллера осуществляется управлением через сервисный разъём при калибровке при производстве и в процессе периодической калибровки.The analyte concentration is calculated in accordance with expression (13), in which, in the calibration mode, in the absence of analyte, they are measured and stored as temperature constants TC1, TC2 and their corresponding PWM pulse durations t1 and t2proportional to the power of the heater P1 and P2providing the rated value of temperature of a sensitive element in isothermal mode at appropriate ambient temperatures. The coefficient K is determined during the calibration of the device (usually at an analyte concentration corresponding to ½ of the lower concentration limit of flame propagation - LEL) and is also stored in the memory of the microcontroller 5. It is advisable to determine it at ambient temperature TC1. The entry of constants in the memory of the microcontroller is carried out by control through the service connector during calibration during production and during the periodic calibration.

Claims (1)

Способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком, состоящий в том, что нагреватель чувствительного элемента датчика, являющийся одновременно термометром сопротивления, нагревают до номинальной температуры, при которой протекает термокаталитическая реакция, электрическими импульсами, управление скважностью которых осуществляют с помощью ШИМ генератора, при этом стабилизируют температуру нагревателя, подавая на вход обратной связи ШИМ генератора величину амплитудного падения напряжения на нагревателе, пропорциональную его сопротивлению, зависящему от температуры, отличающийся тем, что с помощью датчика температуры измеряют температуру окружающей среды ТС, нагреватель нагревают импульсами тока источника стабильного напряжения, протекающими через нагреватель и последовательно включённый опорный резистор, при этом стабилизируют сопротивление нагревателя путем изменения отношения длительности импульса к периоду tИ/ТПЕРИОДА (коэффициента заполнения) в сигнале управления, подаваемом с выхода программно-управляемого ШИМ генератора, при этом информативным параметром, пропорциональным мощности, выделяемой при каталитической реакции и, следовательно, концентрации аналита, является разность длительностей импульсов tИ-t0, соответствующих среднему значению мощности, выделяющейся на нагревателе чувствительного элемента при наличии (tИ) и в отсутствие аналита (t0), причём длительность импульса t0 определяется расчётным способом по формуле
Figure 00000016
при этом t1, t2 – длительности импульсов ШИМ в изотермическом режиме при двух отличающихся температурах окружающей среды TC1, TC2 соответственно, и значения этих температур, полученные в отсутствие аналита во время калибровки устройства и сохранённые как константы, TC – температура окружающей среды при измерениях концентрации аналита, а концентрация аналита определяется по формуле
Figure 00000017
в которой константа К также определяется калибровкой при измерении известной концентрации аналита. The method of measuring gas concentration by a catalytic sensor, which consists in the fact that the heater of the sensor’s sensor element, which is also a resistance thermometer, is heated to the nominal temperature at which the thermocatalytic reaction proceeds, by electric pulses, the duty cycle of which is carried out using a PWM generator, while stabilizing the temperature of the heater by applying to the feedback input of the PWM generator the magnitude of the amplitude voltage drop across the heater proportional to e resistance, depending on the temperature, characterized in that the temperature sensor measures the ambient temperature T C , the heater is heated by current pulses of a stable voltage source flowing through the heater and a series-connected reference resistor, while stabilizing the resistance of the heater by changing the ratio of pulse duration to period t AND / T PERIOD (duty cycle) in the control signal supplied from the output of the program-controlled PWM generator, while An explicit parameter proportional to the power released during the catalytic reaction and, consequently, the analyte concentration, is the difference in the pulse durations t И -t 0 corresponding to the average value of the power released on the heater of the sensitive element in the presence of (t И ) and in the absence of analyte (t 0 ), and the pulse duration t 0 is determined by the calculation method according to the formula
Figure 00000016
wherein t 1 , t 2 are the PWM pulse durations in isothermal mode at two different ambient temperatures T C1 , TC 2, respectively, and the values of these temperatures obtained in the absence of analyte during calibration of the device and stored as constants, T C is the ambient temperature environment when measuring the analyte concentration, and the analyte concentration is determined by the formula
Figure 00000017
in which the constant K is also determined by calibration when measuring a known analyte concentration.
RU2019115590A 2019-05-21 2019-05-21 Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor RU2709051C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115590A RU2709051C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115590A RU2709051C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2709051C1 true RU2709051C1 (en) 2019-12-13

Family

ID=69006696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115590A RU2709051C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2709051C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11333648B1 (en) 2020-11-06 2022-05-17 Pgr Holdings, Llc Decoupled thermodynamic sensing system
US11340183B1 (en) * 2021-06-23 2022-05-24 Pgr Holdings, Llc Ultrasensitive, ultrathin vapor sensors and arrays

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1673943A1 (en) * 1989-05-31 1991-08-30 Предприятие П/Я А-1846 Thermochemical gas analyzer
RU2250455C1 (en) * 2004-02-03 2005-04-20 Научно-производственное закрытое акционерное общество "ГАЛУС" Method of measuring concentration of methane and/or hydrogen
RU2293972C2 (en) * 2004-07-14 2007-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" Method of measurement of oxygen concentration in hydrogen-containing gas mixture and gas analyzer
RU2304278C1 (en) * 2006-03-30 2007-08-10 Дмитрий Юрьевич Харитонов Method and device for stabilization of parameters of microscopic heater of gas detector's measuring member
US7454950B2 (en) * 2005-03-29 2008-11-25 Horiba, Ltd. Vehicle exhaust gas analyzer
US8689608B2 (en) * 2009-12-28 2014-04-08 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Thermal gas sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1673943A1 (en) * 1989-05-31 1991-08-30 Предприятие П/Я А-1846 Thermochemical gas analyzer
RU2250455C1 (en) * 2004-02-03 2005-04-20 Научно-производственное закрытое акционерное общество "ГАЛУС" Method of measuring concentration of methane and/or hydrogen
RU2293972C2 (en) * 2004-07-14 2007-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" Method of measurement of oxygen concentration in hydrogen-containing gas mixture and gas analyzer
US7454950B2 (en) * 2005-03-29 2008-11-25 Horiba, Ltd. Vehicle exhaust gas analyzer
RU2304278C1 (en) * 2006-03-30 2007-08-10 Дмитрий Юрьевич Харитонов Method and device for stabilization of parameters of microscopic heater of gas detector's measuring member
US8689608B2 (en) * 2009-12-28 2014-04-08 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Thermal gas sensor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11333648B1 (en) 2020-11-06 2022-05-17 Pgr Holdings, Llc Decoupled thermodynamic sensing system
US11340183B1 (en) * 2021-06-23 2022-05-24 Pgr Holdings, Llc Ultrasensitive, ultrathin vapor sensors and arrays

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8092084B2 (en) System and method for temperature measurement
Islam et al. Relaxation oscillator-based active bridge circuit for linearly converting resistance to frequency of resistive sensor
RU2709051C1 (en) Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor
Nenova et al. Linearization circuit of the thermistor connection
AU2003240513B2 (en) Combustible-gas measuring instrument
EP0314919B1 (en) Combustible gas detector having temperature stabilization capability
Bondar’ et al. Methods and Algorithms for Control of a Thermocatalytic Hydrogen Sensor
RU2698936C1 (en) Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor
RU2716877C1 (en) Method of measuring gas concentration using a thermo-catalytic sensor
US4258002A (en) Explosive gas detector
JPH1114580A (en) Gas sensor with multilevel sensitivity circuit
Fetene Automated arduino based temperature control and resistance change reading system for gas sensors
JPH08136491A (en) Ambient air detecting apparatus
RU2138799C1 (en) Gas analyzer
RU2732838C1 (en) Method for temperature error compensation of thermistors, device for method implementation
Chakraborty et al. Design of a simple temperature transmitter circuit of an electric heater operated water bath
Addabbo et al. An unconventional type of measurement with chemoresistive gas sensors exploiting a versatile measurement system
RU2745082C1 (en) Gas analyzer
Filatov et al. A Simple Digital Thermometer
RU2363030C1 (en) Temperature programmer
SU1578517A1 (en) Digital meter of temperature
Afridi et al. Characterization system for embedded gas-sensor systems-on-a-chip
SU1337676A1 (en) Temperature measuring device
SU1052975A1 (en) Device for measuring gas concentration
SU690455A1 (en) Temperature measuring and regulating device