Повышение эффективности измерений концентрации горючих газов термокаталитическим датчиком

Цель исследования. Термокаталитические датчики широко используются в газоаналитических системах и обладают высокими показателями надежности и низкой стоимостью. Однако погрешности измерения концентрации горючих газов, связанные с нелинейностью характеристики преобразования и влиянием колебаний температуры окружающей среды, значительно ограничивают область их применения. Целью исследования является разработка способа измерения концентрации газа термокаталитическими датчиками, позволяющего снизить погрешности измерения за счет отстройки от влияния температуры окружающей среды и линеаризации характеристики преобразования. Задачи исследования: разработать способ температурной стабилизации термокаталитического датчика. Разработать структурнофункциональную схему включения датчика. Получить математическое описание метода и обоснование отстройки от влияния температуры. Экспериментальным путем подтвердить возможность линеаризации функции преобразования датчика в режиме термостабилизации.

Методы. При математическом описании метода использована теория теплообмена и теория электрических цепей с дискретными сигналами. При анализе существующих решений и синтезе устройства использованы методы расчёта цепей с нелинейными элементами и теория измерительных систем. Определение реальной функции преобразования осуществлено экспериментальным методом.

Результаты. Разработан способ измерения концентрации газа термокаталитическим датчиком, реализованный с помощью микроконтроллера и ШИМ, позволяющий снизить погрешности за счет отстройки от влияния температуры окружающей среды. Приведено математическое описание метода. Проведен эксперимент, демонстрирующий эффективность применения температурной стабилизации с целью линеаризации характеристики преобразования.

Заключение. Предложен метод температурной стабилизации термокаталитических датчиков газа, позволяющий повысить точность измерения за счет отстройки от влияния колебаний температуры и линеаризации функции преобразования. Экспериментальным путем подтверждена возможность линеаризации функции датчика, характеризующей зависимость выходного сигнала от концентрации горючего газа. Применение данного метода позволяет снизить стоимость датчика, повысить качественные показатели датчика, такие как надежность и стабильность характеристик.

1. Chansin G., Pugh D. Environmental gas sensors 2017–2027. Cambridge, UK: CISION, 2017. 166 p.

2. Somov A., Baranov A., Spirjakin D. A wireless sensor-actuator system for hazardous gases detection and control // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 210. P.157-164.

3. Дрейзин В. Э., Брежнева Е.О., Бондарь О. Г. Моделирование каталитического датчика водорода // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76.

4. Developments in gas sensor technology for hydrogen safety / T. Hübert, L. BoonBrett, V. Palmisano, M. A. Bader // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. P. 20474-20483.

5. Пат. РФ № 2304278, G01N27/12 «Способ стабилизации параметров микронагревателя измерительного элемента газового датчика и устройство для его осуществления», 10.08.2007, Бюл. № 22.

6. Пат. РФ № 2698936. Российская Федерация, МПК G01N 27/12 (2006.01), H03K 3/72 (2006.01). Способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком / Бондарь О.Г., Брежнева Е.О. № 2018147099; заявл. 28.12.2018; опубл. 02.09.2019, Бюл. № 25. 1 с.

7. Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Полякова А.В. Применение микроконтроллера для температурной стабилизации полупроводниковых газочувствительных датчиков // Датчики и системы 2014. №2. С. 41-46.

8. Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement / E. Е. Karpov, Е. F. Karpov, А. Suchkov, S. Mironov, A. Baranov, V. Sleptsov, L. Calliari // Sensors and Actuators A: Physical. 2013. Vol. 194. P. 176–180.

9. Increase of catalytic sensors stability / E. Karpova, S. Mironov, A. Suchkov, A. Karelin, E. E. Karpov, E. F. Karpov // Sensors and Actuators B: Chemical. 5 July 2014. Vol. 197. P. 358-363.

10. Improving interoperability of catalytic sensors / A. Somov, A. Baranov, Alexey Suchkov, A. Karelin, S. Mironov, E. Karpova // Sensors and Actuators B: Chemical. December 2015. Vol. 221, 31 P. 1156-1161. ISSN 0925-4005

11. Wireless multi-sensor gas platform for environmental monitoring / D. Spirjakin, A. Baranov, A. Karelin, A. Somov // Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS), 2015 IEEE Workshop on, 10 July 2015. P. 232-237.

12. Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement / E. F. Karpov, E. E. Karpov, A. Suchkov, S. Mironov, A. Baranov, V. Sleptsov, L. Calliari // Sensors and Actuators A: Physical. May 2013. Vol.194. P. 176-180.

13. Абдурахманов Э. А., Рузиев Э. А. Селективные термокаталитические сенсоры в экологическом мониторинге газообразных выбросов // Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 9. С. 444-449.

14. Mao S., Lu G., Chen J. Nanocarbon-based gas sensors: progress and challenges // J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. P. 5573-5579.

15. Пат. РФ № 2544358. Российская Федерация, МПК G01N 27/18 (2006.01). Способ измерения довзрывных концентраций горючих газов в воздухе / Карпова Е. Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карпов Е.Е., Карпов Е.Ф. № 2013130480/28; заявл. 04.07.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.

16. Пат. РФ № 2623828. Российская Федерация, МПК G01N 27/16 (2006.01), G01N 25/22 (2006.01), Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа / Карпова Е. Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карпов Е.Е., Карпов Е.Ф. № 2013130480/28; заявл. 04.07.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.

17. Kolmakov A., Sysoev V. V. Analyte multi-sensor for the detection and identification of analyte and a method of using the same. Патент США US8443647. Опубл. 21.05.2013.

18. Hydrogen sensors – A review// Sensors and Actuators B / T. Hubert, L. Boon-Brett, G. Black, U. Banacha // Chemical. 2011. P. 329-352

19. Applying Catalytic Sensor in Non-volatile Wireless Sensor Networks / A. Karelin, E.E. Karpov, E.F. Karpov, S Mironov., A. Baranov, V. Sleptsov, K. Napolsky // Procedia Engineering. 2015. Vol. 120. P. 1019-1023.

20. Macias M. M. Gas sensor measurements during the initial action period of dutycycling for power saving // Sensors and Actuators B. 2017. Vol. 239. P. 1003-1009.