устройство для измерения концентрации аммиака

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации аммиака, включающее полупроводниковый датчик (ПД) с нагревателем, источник электродвижущей силы (ЭДС), операционный усилитель (ОУ) с индикатором на выходе, переменный резистор, причем вход операционного усилителя присоединен через переменный резистор и источник ЭДС к земле, а датчик включен между входом и выходом усилителя, отличающееся тем, что оно снабжено логарифмическим преобразователем (ЛП), аналого-цифровым преобразователем (АЦП), замкнутой системой регулирования температуры, выполненной в виде задатчика температуры, блока сравнения, усилителя, нагревателя и датчика температуры, в качестве газочувствительного слоя ПД используется пленка фталоцианина меди, а в качестве индикатора - цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), при этом выход ОУ соединен со входом ЛП, выход которого подключен ко входу АЦП, выход АЦП соединен со входом ЖКИ, выход задатчика температуры подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, имеющего непосредственный контакт с ПД, выход блока сравнения подключен ко входу усилителя, выход которого соединен с нагревателем, нагреватель имеет непосредственный контакт с ПД.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации газов, в частности аммиака, и может быть использовано в сельском хозяйстве, в научных и экологических исследованиях.

Известно устройство для измерения концентрации аммиака, содержащее спектрально согласованный оптрон, в который помещена пленка на основе солей фталевой кислоты, операционный усилитель (ОУ) и стрелочный индикатор (см. Оптоэлектронный детектор аммиака /Батраков В.В., Викулин Н.М., Ирха В.Н.. Коробицын Б. В. //Приборы и техника эксперимента. - 1996. - N 3. - с. 136 - 137).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство имеет нелинейный характер зависимости выходного сигнала ОУ от концентрации аммиака и ограниченный диапазон измерения концентрации аммиака 0 - 30 мг/м³.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является газосигнализатор, содержащий полупроводниковый датчик (ПД) с нагревателем, источник электродвижущей силы (ЭДС), ОУ с индикатором на выходе, переменный резистор, причем вход ОУ присоединен через переменный резистор и источник ЭДС к земле, а ПД включен между входом и выходом ОУ (см. авторское свидетельство СССР N 579569, кл. G 01 N 27/02, 1977).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что известное устройство имеет нелинейный характер зависимости выходного сигнала ОУ от концентрации аммиака, высокую рабочую температуру (300^oC), отсутствует отображение абсолютного значения концентрации аммиака. Кроме того, при работе известного устройства часто возникают помехи, вносящие погрешность измерения. Эти помехи не могут быть учтены вследствие их непериодичности, поскольку связаны они с изменением внешних условий измерения, в частности температуры. Так как устройство измеряет концентрацию аммиака в окружающем пространстве, то с изменением температуры окружающей среды температура поверхности ПД, которая ничем не контролируется, также будет меняться, соответственно будет меняться и сопротивление ПД, что приведет к погрешности измерения.

Технический результат изобретения - получение линейного характера зависимости выходного сигнала преобразующей части устройства от концентрации аммиака, снижение рабочей температуры, отображение абсолютного значения концентрации аммиака в цифровом виде, уменьшение погрешности измерений, повышение помехоустойчивости.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, включающем ПД с нагревателем, источник ЭДС, ОУ с индикатором на выходе, переменный резистор, причем вход ОУ присоединен через переменный резистор и источник ЭДС к земле, а ПД включен между входом и выходом ОУ, введены логарифмический преобразователь (ЛП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), замкнутая система регулирования температуры, выполненная в виде задатчика температуры, блока сравнения, усилителя, нагревателя и датчика температуры, в качестве газочувствительного слоя ПД используется пленка фталоцианина меди, а в качестве индикатора - цифровой жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), при этом выход ОУ соединен с входом ЛП, выход которого подключен к входу АЦП, выход АЦП соединен с входом ЖКИ, выход задатчика температуры подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, имеющего непосредственный контакт с ПД, выход блока сравнения подключен к входу усилителя, выход которого соединен с нагревателем, нагреватель имеет непосредственный контакт с ПД.

Новым в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом является то, что применение ЛП позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала преобразующий части устройства (сигнала на выходе ЛП) от концентрации аммиака, при помощи АЦП и ЖКИ информация о концентрации аммиака отображается в цифровом виде. Использование в качестве газочувствительного слоя ПД пленки фталоцианина меди (см. патент РФ N 2080590, кл. G 01 N 27/12, 1997) позволяет повысить чувствительность измерения концентрации аммиака до 5 мг/м³ при предельно допустимой концентрации равной 10 мг/м³, снизить рабочую температуру ПД до 95^oC, что особенно важно для приборов с автономным питанием, где необходимо минимальное энергопотребление. Применение замкнутой системы регулирования температуры позволяет повысить точность поддержания температуры ПД, что повышает помехоустойчивость и уменьшает погрешность измерений. Следовательно, можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение обладает признаком "новизны".

При проведении дополнительного поиска известных решений не были выявлены признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана структурная схема предложенного устройства для измерения концентрации аммиака.

Устройство содержит ОУ 1, к инвертирующему входу которого подключен один вывод ПД 2 и один вывод переменного сопротивления 3, другой вывод которого подсоединен к клемме источника 4 постоянной ЭДС. Другая клемма источника 4 заземлена. Выход ОУ 1 подключен к второму выводу ПД 2 и к входу ЛП 5, выход которого присоединен к входу АЦП 6. Выход АЦП 6 подключен к ЖКИ 7. Устройство включает в себя также замкнутую систему регулирования температуры 8, которая содержит задатчик температуры 9, выход которого подключен к первому входу блока сравнения 10, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры 11, имеющего непосредственный контакт с ПД 2, выход блока сравнения 10 подключен к входу усилителя 12, выход которого соединен с нагревателем 13, нагреватель находится в непосредственном контакте с ПД 2.

Устройство работает следующим образом.

Необходимая для работы ПД 2 температура 95^oC устанавливается с помощью замкнутой системы регулирования температуры 8. Сигнал задания с выхода задатчика температуры 9 поступает на блок сравнения 10, сигнал рассогласования между сигналом задания температуры и сигналом датчика температуры 11 с выхода блока сравнения 10 поступает на усилитель 12 и далее сигнал с усилителя поступает на нагреватель 13. Датчик температуры 11 измеряет температуру ПД 2 и преобразует ее в электрический сигнал.

Заданная температура ПД 2 устанавливается в данном устройстве за меньшее время, чем в устройствах с разомкнутыми системами регулирования температуры и поддерживается постоянной автоматически. Сопротивление нагретого ПД составляет 5 - 10 МОм. Переменное сопротивление 3 используется для калибровки устройства в газе известной концентрации (с его помощью регулируется коэффициент передачи ОУ). При появлении в области ПД 2 газа аммиака определенной концентрации электрическое сопротивление ПД возрастает, что приводит к изменению коэффициента передачи ОУ 1. Электрический сигнал на его выходе изменяется, соответственно изменяются сигналы на выходах ЛП 5 и АЦП 6, а информация о концентрации аммиака отображается в цифровом виде на ЖКИ 7.

При замене одного ПД на аналогичный, чувствительный к другому газу, и соответствующей настройке устройства возможно его применение для измерения концентрации этого газа.

На фиг. 2 показана зависимость логарифма сопротивления ПД (lgR) от концентрации аммиака в воздухе (с).

Пример. ПД представляет собой ситалловую подложку с растровыми электродами, на которую нанесен тонкий слой фталоцианина меди. Температура ПД устанавливается с помощью замкнутой системы регулирования температуры в диапазоне от 20 до 150^oC. В устройстве имеется возможность индикации этой температуры, для чего предусмотрен соответствующий переключатель, а шкала регистрирующего устройства проградуирована в градусах Цельсия. При изменении концентрации аммиака в воздухе от 5 до 200 мг/м³сопротивление ПД возрастает от 5 - 10 МОм до 15 - 20 МОм и далее преобразуется схемой устройства в цифровую информацию о концентрации аммиака. Шкала регистрирующего устройства проградуирована в мг/м³. Устройство фиксирует концентрацию аммиака в пределах от 5 до 199,9 мг/м³. Измерение концентрации аммиака производится при температуре ПД 95^oC. Для подготовки устройства к новому измерению датчик прогревается при температуре 150^oC в течение 4 минут и затем снова охлаждается до 95^oC. В устройстве используется автономный источник питания в виде аккумуляторной батареи U=36 В.

Преимущество данного устройства состоит в том, что оно имеет линейную зависимость выходного сигнала преобразующей части устройства от концентрации аммиака, низкую рабочую температуру, обладает повышенной точностью и помехоустойчивостью, позволяет получить информацию о концентрации аммиака в цифровом виде.