RU2709051C1 - Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor - Google Patents
Method of measuring gas concentration by a catalytic sensor Download PDFInfo
- 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
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
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 .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 .
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:
(1) (1)
(2) (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:
(3) (3)
(4) (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:
(5) (5)
(6) (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:
(7) (7)
Вычитая из (7) (1) и решая относительно PX, получим:Subtracting from (7) (1) and solving for P X , we get:
(8) (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:
(9) (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:
(10) (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:
(11) (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:
(12) (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:
(13) (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),
- 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. - 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;
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
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
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
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
Claims (1)
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)
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)
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 |
-
2019
- 2019-05-21 RU RU2019115590A patent/RU2709051C1/en active
Patent Citations (6)
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)
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 |