Измеритель концентрации водорода

Использование: полезная модель относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям изделий на герметичность, и может найти применение в таких областях техники, как газовая, атомная, авиационная, машиностроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий (трубопроводов, замкнутых оболочек). Задача: создание удобного, точного и при этом дешевого устройства измерения локальной и интегральной негерметичности изделий с минимизированными погрешностями измерения. Сущность полезной модели: измеритель концентрации водорода содержит блок питания, корпус, последовательно соединенные датчик и нагрузку, образующие делитель напряжения, звуковой сигнализатор. В него введены устройство цифровой индикации и устройство компенсации нелинейности характеристики датчика, установленное на выходе делителя напряжения и представляющее собой последовательно включенные источник тока, первый дифференциальный усилитель, логарифмический преобразователь, второй дифференциальный усилитель, аттенюатор и экспоненциальный преобразователь, ко входу второго дифференциального усилителя подключен источник опорного напряжения. Измеритель снабжен индикатором разряда аккумуляторной батареи, устройством сигнализации обрыва подводящих проводов питания, устройством температурной компенсации чувствительности датчика и устройством сигнализации повреждения имеющегося в датчике нагревателя. Имитатор снабжен устройством проверки работоспособности всех элементов прибора путем имитации их неполадок и имитации изменения сопротивления сенсора датчика во всем диапазоне изменения концентрации водорода. Устройство проверки работоспособности может быть подключено вместо датчика или встроено в схему прибора. 1 н.п. ф-лы, 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Полезная модель относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям изделий на герметичность, и может найти применение в таких областях техники, как газовая, атомная, авиационная, машиностроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий (трубопроводов, замкнутых оболочек).

Известен газоанализатор (п. РФ 2035038, G01N 21/61, опубл. 10.05.1995), в который для повышения линейности статической характеристики введено звено обратной связи с выхода усилителя на выход RC-цепи, выходное напряжение усилителя, являющееся мерой концентрации, отображается индикаторным устройством, при этом аналоговые запоминающие устройства выполнены в виде синхронных детекторов, а звено обратной связи образовано резистором. Данная схема позволяет решить задачу повышения линейности статической характеристики газоанализатора, но при этом схема достаточно сложна и, кроме того, она имеет индикаторное устройство, которое может лишь фиксировать изменение концентрации газа.

Известен сигнализатор («Figaro: датчики газов», М., издательский дом «Додэка-ХХI», 2003, стр.18,), содержащий последовательно соединенные датчик и нагрузку, компаратор, сигнализатор. Когда выходное напряжение превышает заданную величину, сигнал компаратора обеспечивает включение внешней звуковой или световой сигнализации.

Недостатком данного устройства отсутствие компенсации нелинейности характеристики датчика, что приводит к искажению достоверности информации. Кроме того, устройство лишь сигнализирует о наличии превышения предельно допустимой концентрации контролируемого газа, но не дает информацию о величине изменения концентрации.

Задача полезной модели состоит в создании простого, удобного, точного и при этом дешевого устройства измерения локальной и интегральной негерметичности изделий.

Задача решается тем, что в измеритель концентрации водорода, содержащий блок питания, корпус, последовательно соединенные датчик и нагрузку, образующие делитель напряжения, звуковой сигнализатор, введены устройство цифровой индикации и устройство компенсации нелинейности характеристики датчика, установленное на выходе делителя напряжения и представляющее собой последовательно включенные источник тока, первый дифференциальный усилитель, логарифмический преобразователь, второй дифференциальный усилитель, аттенюатор и экспоненциальный преобразователь, ко входу второго дифференциального усилителя подключен источник опорного напряжения. Измеритель снабжен индикатором разряда аккумуляторной батареей, устройством сигнализации обрыва подводящих проводов питания датчика, устройством температурной компенсации чувствительности датчика и устройством сигнализации повреждения нагревателя датчика, устройством проверки работоспособности измерителя, подключаемого вместо датчика или встроенного в схему прибора.

На фиг.1 изображена блок-схема измерителя концентрации водорода, на фиг.2 - блок-схема компенсации нелинейности характеристики датчика, фиг.3 - электрическая схема сигнализации обрыва провода питания датчика, фиг.4 - электрическая схема сигнализации повреждения нагревателя датчика, фиг.5 - электрическая схема источника тока, фиг.6 - электрическая схема логарифмического преобразователя, фиг.7 - электрическая схема источника опорного напряжения, фиг.8 - электрическая схема экспоненциального преобразователя.

Измеритель содержит последовательно соединенные датчик 1 и нагрузку 2, образующие делитель напряжения, звуковой сигнализатор 3, световой индикатор разряда аккумулятора 4, устройство компенсации нелинейности характеристики датчика 5, установленное на выходе делителя напряжения и представляющее собой последовательно включенные источник тока 6, дифференциальный усилитель 7 и 11, логарифмический преобразователь 8, источник опорного напряжения 9, аттенюатор 10 и экспоненциальный преобразователь 12, устройство сигнализации обрыва подводящих проводов питания 13, устройство сигнализации повреждения нагревателя 14 и схемы цифровой индикации 15, блок питания 16, схему температурной компенсации 17.

Измеритель работает следующим образом.

При отсутствии обрыва провода питания датчика напряжения в точках 1 и 2 (фиг.3) приблизительно равны. Разность потенциалов U₁₂=U₁-U₂0, светодиод «ОП» не горит, при этом светодиод «+12 В» загорается, что говорит о нормальном питании датчика. В случае обрыва провода питания датчика (на линии VD1 - контакт питания датчика), ток через светодиод «+12 В» (VD6) не идет, светодиод «+12 В» гаснет, а «ОП» загорается.

При исправности нагревателя напряжения (ПН) в точках 1 и 2 (фиг.4) приблизительно равны и светодиод «ПН» не горит. При повреждении нагревателя (обрыв спирали) резисторы R1-R5 и прямое сопротивление светодиода VD1 R_Д оказываются подключенными параллельно резисторам R6 и R7, напряжение в КТ.2 становится равным 5 В и светодиод загорается.

Работоспособность схемы измерителя может быть проверена с помощью имитатора датчика, подключаемого вместо датчика или встроенного в схему. Имитатор имеет несколько поддиапазонов, соответствующих изменению сопротивления сенсора во всем диапазоне измерения концентрации водорода, представляющих собой несколько переменных сопротивлений, а также сопротивление, соответствующее сопротивлению нагревателя датчика при рабочей температуре. Кроме того, имитатор может быть снабжен устройством проверки обрыва провода питания датчика, повреждения нагревателя и разряда аккумулятора.

Таким образом производится диагностика неисправностей измерителя.

Т.к. зависимость выходного напряжения делителя от концентрации является функцией нелинейной, то эту нелинейность необходимо компенсировать.

Блок схема компенсации нелинейности характеристики датчика приведена на фиг.2

Важнейшей характеристикой источника тока (ИТ) 6 является независимость величины генерируемого тока от сопротивления нагрузки (в данном случае, сопротивление сенсора датчика - R_s). Величина тока является постоянной величиной во всем диапазоне изменений сопротивления нагрузки, следовательно, можно записать:

где К, A, - постоянные величины.

Сигнал с выхода ИТ через дифференциальный усилитель (ДУ) 7 поступает на вход логарифмического преобразователя (ЛПР) 8 (Фиг.6).

Выходное напряжение ЛПР равно:

где k - постоянная Больцмана

Т - температура в градусах Кельвина

е - основание натуральных логарифмов

I_к0 - обратный ток коллекторного перехода транзистора.

Выходной сигнал ЛПР 8 состоит из постоянной составляющей (К₂ ) и члена прямо пропорционального логарифму концентрации (К ₃lnС). Выходное напряжение источника опорного напряжения (ИОН) 9 устанавливается равным по величине значению постоянной составляющей. Выходное напряжение ДУ 7 равно разности выходных напряжений ЛПР 8 и ИОН 9, т.е. прямо пропорционально логарифму концентрации:

где К - коэффициент усиления ДУ 7.

Выходной сигнал ДУ 7 поступает на вход экспоненциального преобразователя (ЭПР) 12.

Таким образом, выходной сигнал ЭПР прямо пропорционален концентрации водорода.

Далее сигнал поступает на схему цифровой индикации 15, отображающий значение измеренной концентрации газа. Дополнительно при превышении допустимого значения концентрации газа срабатывает звуковая сигнализация.

При разряде аккумулятора до минимального допустимого значения (10,8 В) срабатывает световой индикатор разряда аккумулятора 4.

При изменении температуры окружающей среды схема температурной компенсации 17 компенсирует температурный дрейф чувствительности датчика.

Таким образом, создана конструкция измерителя на простых доступных элементах при сохранении точности измерения, кроме того не требуется специального оборудования при монтаже электрической схемы и имеется возможность быстрой замены всех элементов электрической схемы. Кроме того, схема измерителя менее требовательна в отношении колебаний напряжения питания и воздействия внешних помех в отличии схем на микропроцессорах.

1. Измеритель концентрации водорода, содержащий блок питания, корпус, последовательно соединенные датчик и нагрузку, образующие делитель напряжения, звуковой сигнализатор, отличающийся тем, что в него введены устройство цифровой индикации и устройство компенсации нелинейности характеристики датчика, установленное на выходе делителя напряжения и представляющее собой последовательно включенные источник тока, первый дифференциальный усилитель, логарифмический преобразователь, второй дифференциальный усилитель, аттенюатор и экспоненциальный преобразователь, ко входу второго дифференциального усилителя подключен источник опорного напряжения.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен индикатором разряда аккумуляторной батареи.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством сигнализации обрыва подводящих проводов питания датчика.

4. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством температурной компенсации чувствительности датчика.

5. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством сигнализации повреждения, имеющегося в датчике нагревателя 14.

6. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством проверки работоспособности всех элементов прибора путем имитации их неполадок и имитации изменения сопротивления сенсора датчика во всем диапазоне изменения концентрации водорода.

7. Измеритель по п.6, отличающийся тем, что устройство проверки работоспособности может быть подключено вместо датчика или встроено в схему прибора.