RU100274U1

RU100274U1 - SEMICONDUCTOR GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU100274U1
Application number: RU2010132459/28U
Authority: RU
Inventors: Михаил Эдуардович Гусельников; Юлия Владимировна Анищенко
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2010-12-10

Abstract

Полезная модель направлена на повышение точности измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды. Указанный технический результат достигается тем, что полупроводниковый газоанализатор содержит генератор электрических импульсов, подключенный к счетчику электрических импульсов, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства. Выход постоянного запоминающего устройства подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика. Выход переноса счетчика электрических импульсов подключен ко входу нагревателя полупроводникового датчика. Выход нагревателя подключен к общему проводу. К корпусу полупроводникового датчика прикреплены нагревающий элемент и датчик температуры, которые подключены к схеме управления. Выход цифро-аналогового преобразователя соединен со входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к индикатору. 1 ил. The utility model is aimed at improving the accuracy of measurements when determining the concentration of the components of the gas mixture when the ambient temperature changes. The specified technical result is achieved by the fact that the semiconductor gas analyzer comprises an electric pulse generator connected to an electric pulse counter, the output of which is connected to the address input of the permanent storage device. The output of the permanent storage device is connected to the input of the multiplying digital-to-analog converter, the input of the reference signal of which is connected to the output of the semiconductor sensor. The transfer output of the electric pulse counter is connected to the input of the semiconductor sensor heater. The heater output is connected to a common wire. A heating element and a temperature sensor are attached to the housing of the semiconductor sensor, which are connected to the control circuit. The output of the digital-to-analog converter is connected to the input of a low-pass filter, the output of which is connected to the indicator. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на измерении электрического сопротивления полупроводникового датчика, и может быть использовано для анализа состава воздуха рабочей зоны.The utility model relates to measuring equipment, in particular to gas analysis, based on measuring the electrical resistance of a semiconductor sensor, and can be used to analyze the composition of the air in the working area.

Известен индивидуальный газовый дозиметр, включающий чувствительный элемент, системы обработки сигнала и индикации. Чувствительный элемент выполнен в виде многоканального датчика из параллельно подключенных полупроводниковых пленок, каждая с избирательной характеристикой под определенный тип газа, размещенных на одной стороне керамической подложки, включенных по дифференциальной измерительной схеме и питаемых от стабилизатора напряжения. Резистивный подогреватель расположен на другой стороне керамической подложки и питается от стабилизатора тока. Выход многоканального датчика подключен ко входу ячейки обработки сигнала, к которой последовательно подключена ячейка индикации (патент РФ №2137116, МПК 6 G01N 27/16, опубл. 1999.09.10).An individual gas dosimeter is known, including a sensitive element, signal processing and indication systems. The sensitive element is made in the form of a multichannel sensor from parallel-connected semiconductor films, each with a selective characteristic for a specific type of gas, placed on one side of the ceramic substrate, connected by a differential measurement circuit and powered by a voltage regulator. The resistive heater is located on the other side of the ceramic substrate and is powered by a current stabilizer. The output of the multi-channel sensor is connected to the input of the signal processing cell to which the indication cell is connected in series (RF patent No. 2137116, IPC 6 G01N 27/16, publ. 1999.09.10).

Недостатком этого устройства является отсутствие компенсации влияния температуры окружающей среды на выходной сигнал полупроводникового датчика.The disadvantage of this device is the lack of compensation for the influence of ambient temperature on the output signal of the semiconductor sensor.

Наиболее близким, принятым за прототип, является газоанализатор, содержащий генератор электрических импульсов, подключенный к счетчику электрических импульсов, выход переноса которого соединен со входом S RS-триггера, выход которого подключен к первому выводу нагревателя полупроводникового датчика, а второй вывод нагревателя полупроводникового датчика соединен с резистором, второй вывод которого соединен с общим проводом, и компаратором, выход которого подключен ко входу R RS-триггера. Выходы счетчика электрических импульсов соединены с адресным входом постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика, а выход умножающего цифро-аналогового преобразователя соединен со входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к индикатору (Гусельников М.Э., Кротова Ю.В. Разработка полупроводникового газоанализатора// Безопасность жизнедеятельности, 2008 г., №1, с.50-52).The closest adopted for the prototype is a gas analyzer containing an electric pulse generator connected to an electric pulse counter, the transfer output of which is connected to the input S of the RS flip-flop, the output of which is connected to the first terminal of the semiconductor sensor heater, and the second terminal of the semiconductor sensor heater is connected to a resistor, the second output of which is connected to a common wire, and a comparator, the output of which is connected to the input R of the RS-trigger. The outputs of the electric pulse counter are connected to the address input of a read-only memory device, the output of which is connected to the input of the multiplying digital-to-analog converter, the reference signal of which is connected to the output of the semiconductor sensor, and the output of the multiplying digital-to-analog converter is connected to the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the indicator (Guselnikov M.E., Krotova Yu.V. Development of a semiconductor gas analyzer // Life Safety, 2008, No. 1, pp. 50-52).

Недостатком этого газоанализатора является неполное устранение влияния изменений температуры окружающей среды на результаты измерений.The disadvantage of this gas analyzer is the incomplete elimination of the influence of changes in ambient temperature on the measurement results.

Задачей полезной модели является снижение погрешностей измерений, вызываемых изменением температуры окружающей среды.The objective of the utility model is to reduce measurement errors caused by changes in ambient temperature.

Поставленная задача решена за счет того, что полупроводниковый газоанализатор, так же как в прототипе, содержит генератор электрических импульсов, подключенный к счетчику электрических импульсов, выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства. Выход постоянного запоминающего устройства подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика. Выход умножающего цифро-аналогового преобразователя соединен со входом фильтра низкой частоты, выход которого подключен к индикатору.The problem is solved due to the fact that the semiconductor gas analyzer, as in the prototype, contains an electric pulse generator connected to an electric pulse counter, the output of which is connected to the address input of the permanent storage device. The output of the permanent storage device is connected to the input of the multiplying digital-to-analog converter, the input of the reference signal of which is connected to the output of the semiconductor sensor. The output of the multiplying digital-to-analog converter is connected to the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the indicator.

Согласно полезной модели выход переноса счетчика электрических импульсов подключен ко входу нагревателя полупроводникового датчика, выход нагревателя подключен к общему проводу, а к корпусу полупроводникового датчика прикреплены нагревающий элемент и датчик температуры, которые подключены к схеме управления.According to a utility model, the transfer output of the electric pulse counter is connected to the heater input of the semiconductor sensor, the heater output is connected to a common wire, and a heating element and a temperature sensor are attached to the semiconductor sensor housing, which are connected to the control circuit.

Рассмотрим тепловые потоки, возникающие при нагреве полупроводникового датчика. Начальную температуру чувствительного элемента полупроводникового датчика принимаем равной температуре окружающей среды:Consider the heat fluxes that occur when a semiconductor sensor is heated. The initial temperature of the sensitive element of the semiconductor sensor is taken equal to the ambient temperature:

Т_ЧЭ=Т₀ при τ=0T _SE = T ₀ at τ = 0

где Т_ЧЭ - температура чувствительного элемента полупроводникового датчика, К.where T _SE is the temperature of the sensitive element of the semiconductor sensor, K.

Т₀ - температура окружающей среды, К.T ₀ - ambient temperature, K.

τ - время нагрева, с.τ is the heating time, s.

При подаче на чувствительный элемент полупроводникового датчика тепловой энергии мощностью Q₁ его температура изменяется по закону:When applied to a sensitive element of a semiconductor thermal energy sensor with power Q _1, its temperature changes according to the law:

где с - теплоемкость чувствительного элемента полупроводникового датчика, кал /(кг·К)where c is the heat capacity of the sensitive element of the semiconductor sensor, cal / (kg · K)

m - масса чувствительного элемента полупроводникового датчика, кг.m is the mass of the sensitive element of the semiconductor sensor, kg

Изменение температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика при нагреве можно представить выражением:The temperature change of the sensitive element of the semiconductor sensor during heating can be represented by the expression:

ΔТ_ЧЭ=Т_max-T₀ ΔT _SE = T _max -T ₀

где Т_mах - максимальная температура, до которой нагревается чувствительный элемент полупроводникового датчика, К.where T _max is the maximum temperature to which the sensitive element of the semiconductor sensor heats up, K.

Учитывая уравнение (1) можно записать выражение для температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика, которая изменятся при нагреве с течением времени:Given equation (1), we can write the expression for the temperature of the sensitive element of the semiconductor sensor, which will change with heating over time:

Теплопередача за счет теплопроводности в полупроводниковом датчике осуществляется теплообменом между чувствительным элементом полупроводникового датчика и корпусом полупроводникового датчика, который можно описать уравнением:Heat transfer due to thermal conductivity in the semiconductor sensor is carried out by heat exchange between the sensitive element of the semiconductor sensor and the housing of the semiconductor sensor, which can be described by the equation:

где λ - коэффициент теплопроводности, кал /(с·м·К),where λ is the coefficient of thermal conductivity, cal / (s · m · K),

Т_корп - температура корпуса полупроводникового датчика, К.T _corp - the temperature of the housing of the semiconductor sensor, K.

Учитывая уравнение (3), уравнение (2) можно дополнить:Given equation (3), equation (2) can be supplemented:

С поверхности корпуса полупроводникового датчика происходит отвод тепла в окружающую среду. Взаимодействие корпуса полупроводникового датчика и окружающей среды описывается законом конвекции, который можно представить выражением:Heat is transferred to the environment from the surface of the semiconductor sensor housing. The interaction of the semiconductor sensor housing and the environment is described by convection law, which can be represented by the expression:

где α - коэффициент теплоперехода от корпуса полупроводникового датчика к окружающей среде, кал /(с·м²·К).where α is the coefficient of heat transfer from the housing of the semiconductor sensor to the environment, cal / (s · m ² · K).

Тогда выражение (4) можно дополнить:Then expression (4) can be supplemented:

В прототипе стабилизацию температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика осуществляют в момент достижения максимального значения температуры нагрева согласно уравнению (6). Так как период работы полупроводникового газоанализатора постоянен, то из уравнения (6) следует, что на процесс охлаждения чувствительного элемента полупроводникового датчика влияет изменение температуры окружающей среды. Например, чем выше температура окружающей среды, тем медленнее он будет остывать, и соответственно быстрее нагреваться до максимальной температуры в следующем периоде нагрева. В этом случае происходит снижение амплитуды колебаний температуры чувствительного элемента полупроводникового датчика, что вызывает погрешности измерения. Для исключения возможности влияния изменения температуры окружающей среды на результат измерений предлагается осуществлять стабилизацию температуры корпуса полупроводникового датчика. При неизменной температуре корпуса полупроводникового датчика температура чувствительного элемента полупроводникового датчика описывается уравнением (4), из которого видно, что температура чувствительного элемента полупроводникового датчика не зависит от температуры окружающей среды.In the prototype, the temperature stabilization of the sensitive element of the semiconductor sensor is carried out at the time of reaching the maximum value of the heating temperature according to equation (6). Since the period of operation of the semiconductor gas analyzer is constant, it follows from equation (6) that a change in the ambient temperature affects the cooling process of the sensitive element of the semiconductor sensor. For example, the higher the ambient temperature, the slower it will cool, and therefore more quickly heat up to the maximum temperature in the next heating period. In this case, the amplitude of the temperature fluctuations of the sensitive element of the semiconductor sensor decreases, which causes measurement errors. To eliminate the possibility of the influence of changes in ambient temperature on the measurement result, it is proposed to stabilize the temperature of the semiconductor sensor housing. With a constant temperature of the semiconductor sensor case, the temperature of the semiconductor sensor element is described by equation (4), which shows that the temperature of the semiconductor sensor element is independent of the ambient temperature.

Таким образом, предложенная конструкция полупроводникового газоанализатора позволяет снизить погрешности измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды.Thus, the proposed design of a semiconductor gas analyzer can reduce measurement errors when determining the concentration of the components of the gas mixture when the ambient temperature changes.

На фиг.1 представлена схема полупроводникового газоанализатора.Figure 1 presents a diagram of a semiconductor gas analyzer.

Полупроводниковый газоанализатор содержит генератор электрических импульсов 1 (Г), подключенный к счетчику электрических импульсов 2 (СЭИ), выход которого соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ). Выход постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ) подключен ко входу умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП), вход опорного сигнала которого подключен к выходу полупроводникового датчика 5 (ПД). Выход переноса счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) подключен ко входу нагревателя полупроводникового датчика 5 (ПД). Выход нагревателя полупроводникового датчика подключен к общему проводу. К корпусу полупроводникового датчика 5 (ПД) прикреплены нагревающий элемент 6 и датчик температуры 7, которые подключены к схеме управления 8 (СУ). Выход умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП) соединен со входом фильтра низкой частоты 9 (ФНЧ), выход которого подключен к индикатору 10 (И).The semiconductor gas analyzer comprises an electric pulse generator 1 (G) connected to an electric pulse counter 2 (SEI), the output of which is connected to the address input of the read-only memory 3 (ROM). The output of read-only memory 3 (ROM) is connected to the input of the multiplying digital-to-analog converter 4 (DAC), the input of the reference signal of which is connected to the output of the semiconductor sensor 5 (PD). The transfer output of the counter of electrical pulses 2 (SEI) is connected to the input of the heater of the semiconductor sensor 5 (PD). The output of the semiconductor sensor heater is connected to a common wire. A heating element 6 and a temperature sensor 7 are attached to the housing of the semiconductor sensor 5 (PD), which are connected to the control circuit 8 (SU). The output of the multiplying digital-to-analog converter 4 (DAC) is connected to the input of the low-pass filter 9 (low-pass filter), the output of which is connected to indicator 10 (I).

Генератор электрических импульсов 1 (Г) может быть собран, например, по схеме мультивибратора на микросхеме типа 1006ВИ1. В качестве счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) выбран двоичный счетчик электрических импульсов с выходом переноса, например, 8 - разрядный, выполненный на двух микросхемах типа К1533ИЕ7. Постоянное запоминающее устройство 3 (ПЗУ) представляет собой электрически программируемое ПЗУ, например, типа К573РР12, а умножающий цифро-аналоговый преобразователь 4 (ЦАП) - например, типа КР572ПА1А. В качестве полупроводникового датчика 5 (ПД) может быть использован любой полупроводниковый датчик, предназначенный для работы в импульсном режиме, в котором нагреватель и чувствительный элемент находятся на одной стороне подложки. В качестве схемы управления, например, может быть использована схема термостабилизации, описанная в прототипе. В качестве датчика температуры 7 может быть использован, например, терморезистор типа В57703 фирмы Epcos, а в качестве нагревающего элемента 6 - резистор типа серии LT030 фирмы Vishay. Фильтр низких частот 9 (ФНЧ) может быть выполнен, например, из интегрирующего усилителя на базе микросхемы К140УД74 и устройства выборки и хранения типа К1100СК2. Индикатор 10 (И) может быть стрелочным миллиамперметром либо цифровым, состоящим из АЦП и сегментных индикаторов любого типа.The electric pulse generator 1 (G) can be assembled, for example, according to the multivibrator scheme on a type 1006VI1 microcircuit. As a counter of electrical pulses 2 (SEI), a binary counter of electrical pulses with a transfer output, for example, 8-bit, made on two K1533IE7 type microcircuits, was selected. Permanent storage device 3 (ROM) is an electrically programmable ROM, for example, type K573PP12, and a multiplying digital-to-analog converter 4 (DAC) - for example, type KR572PAA. As the semiconductor sensor 5 (PD) can be used any semiconductor sensor designed to operate in a pulsed mode, in which the heater and the sensing element are on the same side of the substrate. As a control circuit, for example, the thermal stabilization circuit described in the prototype can be used. As a temperature sensor 7, for example, an Epcos type B57703 thermistor can be used, and a Vishay type LT030 series resistor as a heating element 6. A low-pass filter 9 (low-pass filter) can be made, for example, from an integrating amplifier based on the K140UD74 microcircuit and a sampling and storage device of the K1100SK2 type. Indicator 10 (I) can be a pointer milliammeter or digital, consisting of an ADC and segment indicators of any type.

Работой полупроводникового газоанализатора управляет генератор электрических импульсов 1 (Г), импульсы с которого поступают на счетчик электрических импульсов 2 (СЭИ), который подсчитывает их количество в виде кода и формирует последовательность двоичных кодов. При нулевом выходном коде счетчик электрических импульсов 2 (СЭИ) формирует импульс нагрева, который с выхода переноса счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) поступает на вход нагревателя полупроводникового датчика 5 (ПД). При изменениях температуры окружающей среды температура чувствительного элемента полупроводникового датчика 5 (ПД) изменяется, в результате чего появляются погрешности измерений. Схема управления 8 (СУ) формирует напряжение на нагревающем элементе 6 таким образом, чтобы выходной сигнал датчика температуры 7 был постоянным. Последовательность двоичных кодов с выхода счетчика электрических импульсов 2 (СЭИ) поступает на адресный вход постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ), в котором хранится предварительно записанная информация об анализируемых газах. С выхода постоянного запоминающего устройства 3 (ПЗУ) эти коды поступают на вход умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП). Выходной сигнал умножающего цифро-аналогового преобразователя 4 (ЦАП) пропорционален произведению входного кода на сигнал с выхода полупроводникового датчика 5 (ПД). Интегрирование полученного произведения осуществляется интегрирующим звеном - фильтром низкой частоты 9 (ФНЧ). Результат измерений, пропорциональный искомой концентрации определяемого компонента, выводится на индикатор 10 (И).The operation of the semiconductor gas analyzer is controlled by an electric pulse generator 1 (G), the pulses from which are supplied to an electric pulse counter 2 (SEI), which calculates their number in the form of a code and generates a sequence of binary codes. When the output code is zero, the counter of electrical pulses 2 (SEI) generates a heating pulse, which from the transfer output of the counter of electrical pulses 2 (SEI) is fed to the input of the heater of the semiconductor sensor 5 (PD). With changes in ambient temperature, the temperature of the sensitive element of the semiconductor sensor 5 (PD) changes, as a result of which measurement errors appear. The control circuit 8 (SU) generates a voltage on the heating element 6 so that the output signal of the temperature sensor 7 is constant. The sequence of binary codes from the output of the counter of electrical pulses 2 (SEI) is fed to the address input of the permanent memory 3 (ROM), which stores pre-recorded information about the analyzed gases. From the output of read-only memory 3 (ROM), these codes are fed to the input of a multiplying digital-to-analog converter 4 (DAC). The output signal of the multiplying digital-to-analog converter 4 (DAC) is proportional to the product of the input code by the signal from the output of the semiconductor sensor 5 (PD). Integration of the obtained product is carried out by an integrating unit - a low-pass filter 9 (low-pass filter). The measurement result, proportional to the desired concentration of the determined component, is displayed on indicator 10 (I).

Таким образом, использование заявленного решения позволит повысить точность измерений при определении концентрации компонентов газовой смеси при изменении температуры окружающей среды.Thus, the use of the claimed solution will improve the accuracy of measurements when determining the concentration of the components of the gas mixture with a change in ambient temperature.

Claims

A semiconductor gas analyzer containing an electric pulse generator connected to an electric pulse counter, the output of which is connected to an address input of a read-only memory device, the output of which is connected to the input of a multiplying digital-to-analog converter, the input of a reference signal of which is connected to the output of the semiconductor sensor, and the output of the digital-to-analog converter is connected to the input low-pass filter, the output of which is connected to an indicator, characterized in that the counter transfer output a series of electrical pulses is connected to the heater input of the semiconductor sensor, the heater output is connected to a common wire, and a heating element and a temperature sensor are attached to the semiconductor sensor housing, which are connected to the control circuit.