ВОДОРОДНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ И ИНДИКАТОРЫ УТЕЧКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕНСОРЫ ВОДОРОДА

GAS ANALYTICAL SYSTEMS AND HYDROGEN SENSORS

Статья поступила в редакцию 25.02.10. Ред. рег. № 739 The article has entered in publishing office 25.02.10. Ed. reg. No. 739

УДК 543.27.-8+620.179.1

ВОДОРОДНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ И ИНДИКАТОРЫ УТЕЧКИ Д.И. Забабуркин, А.Л. Гусев, В.И. Немышев

ООО «НТЦ ТАТА» 607183 г. Саров, Нижегородская обл., ул. Московская, д. 29 Тел./факс (83130) 6-31-07, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 15.03.10 Заключение совета экспертов: 25.03.10 Принято к публикации: 30.03.10

В статье описано устройство и принцип действия разрабатываемых и изготовленных НТЦ «ТАТА» водородных те-чеискателей и индикаторов утечки типа «Посейдон» и «Ясон». Описаны два метода компенсации зависимости нелинейности выходного напряжения от концентрации.

Ключевые слова: водородная энергетика, течеискатель, индикатор утечки, нелинейность характеристики.

HYDROGEN LEAK DETECTORS AND INDICATORS D.I. Zababurkin, A.L. Gusev, V.I. Nemyshev

'Scientific Technical Centre "TATA" 29 Moskovskaya str., Sarov, Nizhny Novgorod region, 607183, Russia Phone/Fax (83130) 6-31-07, e-mail: [email protected]

Referred: 15.03.10 Expertise: 25.03.10 Accepted: 30.03.10

The paper describes a device and operating principle of hydrogen leak detectors and indicators of "Poseidon" and "Yason" type, developed and fabricated by STC "TATA". Two methods of the output voltage nonlinearity compensation on concentration are described in the paper.

Keywords: hydrogen energy, leak detector, leak indicator, characteristic nonlinearity.

Введение

Одной из важнейших задач водородной энергетики является безопасность эксплуатации. В целях предотвращения образования взрывоопасных водо-родно-воздушных смесей повышенные требования предъявляются к контролю герметичности соединений трубопроводов. Проблема возникает вследствие физико-химического воздействия водорода на конструкционные материалы и потенциального возникновения утечек. Водородное растрескивание крупных стальных конструкций и их разрушение может происходить при очень малых содержаниях водорода в металлах [1]. В связи с этим проблема количественной оценки герметичности и прогнозирования возможной утечки водорода является в настоящее время чрезвычайно важной. К сожалению, характеристики серийно выпускаемых водородных течеискателей -приборов, предназначенных для локализации нарушений, не всегда удовлетворительны. В связи с этим перед нами стояла задача разработки течеискателя, удовлетворяющего требованиям надежной и безо-

пасной работы в условиях эксплуатации, высокой селективности и чувствительности к водороду, а также приемлемой стоимости.

Одним из важных условий безопасной эксплуатации является надежная и безотказная работа самого измерительного прибора, что предъявляет требования к его самодиагностике. Течеискатели и индикаторы утечки, разрабатываемые в нашей лаборатории, имеют сигнализацию обрыва провода питания датчика и повреждения его нагревателя, а также сигнализацию разряда аккумулятора питания. Технические характеристики приборов приведены в журнале «Альтернативная энергетика и экология», 2007, № 10, с. 108-109 и 2009, № 6, с. 144.

Кроме того, все приборы имеют возможность проверки технического состояния с помощью встроенного или подключаемого вместо датчика блока проверки (БП). БП проверяет также работу всех систем индикации, в том числе и системы самодиагностики.

Приборы имеют разъем контроля напряжения нагревателя (+5 В), а также разъем подключения вольт-

33

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 6 (86) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

метра или ПЭВМ для контроля выходного напряжения. Цифровой вольтметр позволяет отследить более тонкие изменения концентрации, не отражаемые светодиодным измерителем концентрации.

Таким образом, разработанные в НТЦ «ТАТА» течеискатели и индикаторы утечки имеют целый ряд преимуществ по сравнению с существующими аналогами других фирм. Так, например, индикатор-течеискатель ИТ-М фирмы «Аналитприбор» (Смоленск) имеет чувствительность 0,005% [2], в то время как разработанный нами «Посейдон-6» - 0,001%. Прибор ИТ-М обладает непрерывной световой индикацией красного цвета (светодиодная шкала "1", "2", "3"), а «Посейдон-6» имеет дополнительную функцию измерения уровня концентрации. Приборы ИТ-М, в отличие от разработанных в НТЦ «ТАТА» приборов, не имеют системы диагностики неисправностей и возможности проверки работоспособности.

Бытовой сигнализатор СГГ10-Б той же фирмы «Аналитприбор» потребляет мощность 10 Вт и имеет вес 0,2 кг [2], в то время как индикаторы утечки типа «Ясон» при аналогичных параметрах потребляют не более 0,6 Вт и весят менее 50 г.

Переносные газоанализаторы ООО «Газ-ФАРМЭК» с цифровой индикацией имеют как минимум на порядок более низкую чувствительность (0,01%) [3]. Анализаторы этой фирмы ФП 10, ФП 11.1, ФП 12, закупленные нашей лабораторией, не имеют сигнализации разряда аккумулятора. Зарядное устройство из комплекта поставки приборов не имеет сигнализации окончания заряда, а сам процесс настройки прибора достаточно сложный.

Отметим, что разрабатываемые в настоящее время приборы предполагают наличие дополнительных функций: автоматическое отключение питания датчика при повышенных концентрациях (защита датчика), компенсацию температурного дрейфа напряжения питания датчика, возможность ручного и автоматического (с помощью компьютера) управления режимами работы, снижение тока потребления, повышение точности измерения и др.

Датчики фирмы Figaro, закупленные нашей лабораторией, показали свою надежность и простоту в эксплуатации, неплохую чувствительность и быстродействие. Датчики марки TGS 2620, 2610 обладают более низким энергопотреблением по сравнению с датчиками марки TGS 821 (ток нагревателя 40 мА и 132 мА [4] соответственно), но существенно меньшей чувствительностью, поэтому течеискатели разрабатываются на основе датчиков TGS 821, а индикаторы утечки - на основе датчиков TGS 2620, 2610.

Течеискатели серии «Посейдон-6»

Течеискатели серии «Посейдон-6» (рис. 1) предназначены для обнаружения течи водорода и измерения уровня концентрации водорода на предприятиях, деятельность которых связана с его получением, хранением, транспортированием и использованием.

Рис. 1. Приборы серии «Посейдон-6» Fig. 1. "Poseidon-6" series devices

Приборы серии «Посейдон-6» выполнены в переносном варианте с питанием от встроенного аккумулятора. Они обладают возможностью питания от сетевого стабилизированного блока питания (9-18 В). Зарядка встроенного аккумулятора производится без извлечения его из корпуса прибора. В приборах используется светодиодный измеритель уровня концентрации, который обеспечивает чувствительность 10 ррт (10-3%). Звуковая сигнализация в разработанных приборах срабатывает уже при 2% концентрации водорода, при этом порог срабатывания сигнализации может быть изменен по требованию заказчика. Чувствительный сенсор находится в щупе на гибком проводе длиной 1,5 м.

Все приборы серии «Посейдон» построены по схеме, показанной на рис. 2.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

нагрузочное сопротивление

TGS 821

сенсор

"ВЫХ"

цепь к

+12В 1

обрыв 2

нагреватель 3

ивых 4

-L 5

к цепь

1 + 12В

2 обрыв

3 нагреватель

4 ивых

5 .L

нагреватель датчика

Рис. 2. Схема построения приборов серии «Посейдон» Fig. 2. Structure diagram of "Poseidon" series devices

Сопротивление сенсора Я$ и резистор нагрузки Я, образуют делитель напряжения (рис. 2, 3). Полезным сигналом является выходное напряжение ивых, снимаемое с резистора нагрузки.

+12 B

гт1

Рис. 3. Делитель напряжения Fig. 3. Voltage divider

Rs = R0 A (C

(2)

где А, а, Я0 - константы, С - концентрация газа (водорода). Величина Я0 в зависимости от конкретного экземпляра датчика может принимать значения от 1 до 10. Для определенности примем Я0 = 10. Постоянная а = 0,72 и может быть определена как тангенс угла наклона зависимости (2) в логарифмических координатах [4].

R

S

R

L

U

Нелинейность выходного напряжения делителя

Зависимость напряжения на выходе делителя от сопротивления сенсора Я8 - нелинейная (рис. 4), и для ее линеаризации принимаются специальные меры:

и Я, и

и _ пит Ь _ _пит (1)

вых" ЯЬ + Ях "1 + Я5/Я, ■ к '

Диапазон измерений (10 ррт - 30 000 ррт, или 52,4 < Я8 < 0,164 кОм) разбивается на 4 поддиапазона, каждому из которых соответствует свой резистор нагрузки (табл. 1).

Величина резистора нагрузки выбирается таким образом, чтобы при измерениях использовался только участок кривой вблизи точки перегиба (рис. 4). Зависимость сопротивления датчика от концентрации восстанавливающего газа имеет вид [4]

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения делителя от отношения сопротивлений Fig. 4. Resistances ratio dependence of divider output voltage

Таблица 1

Диапазон измерений приборов типа «Посейдон-6»

Table 1

Measurement range of "Poseidon-6" type devices

№ п/п C, ppm C, % RS, кОм Rl, кОм

1 10-100 10"3-10"2 52,48-10 14,51

2 100-1000 10"2-10"' 10-1,905 2,75

3 1000-10 000 10-1-1 1,905-0,363 0,523

4 3000-30 000 3-10--3 0,864-0,165 0,4

Зависимость выходного напряжения делителя от концентрации в пределах одного поддиапазона измерения приведена на рис. 5.

0 20 40 60 80 100 120

Концентрация, С ppm

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения делителя напряжения от концентрации водорода (первый поддиапазон измерения) Fig. 5. Hydrogen concentration (the first measurement subband) dependence of the voltage divider output voltage

Приборы серии «Посейдон-6» со светодиодным измерителем концентрации

Из выражений (1)-(2) видно, что зависимость ивых(С) является нелинейной. В связи с этим в качестве индикатора выходного напряжения был выбран светодиодный измеритель (СИ) (рис. 6).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) СИ имеет вид экспоненты (рис. 7).

Таким образом, если выходное напряжение делителя будет входным напряжением СИ, то нелинейность СИ в некоторой степени компенсирует нелинейность делителя.

Блок-схема компенсатора нелинейности приведена на рис. 8.

■0'

0,76В

"М-

0,80В

-и-

0,81В

-м-

0,84В

-и-

0,85В

"М-

0,86В

"М-

0,87В

-и-

0,88В

-м-

0,89В

-и-

0,90В

-м-

0,91В

-м-

"1

VD13

кр

R17 1=1

3,9

VD14 кр

R18

VD15

4,7

R19 5.1

Чг

VD16 кр

R20

2\'' 2\

2\'' 2\

2\2\

2\'' 2\''

5,6

R21 =1

6.8

R22 1=

8,2

R23

СП

10

R24

9,1

R25 16

R26

Z3-

27

R27 51

Рис. 6. Светодиодный измеритель концентрации Fig. 6. LED concentration meter

з

з

з

з

кр

ж

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика светодиодного индикатора

Fig. 7. Volt-ampere characteristic of LED indicator +12 B

Рис. 8. Блок-схема компенсатора нелинейности

характеристики датчика Fig. 8. Block diagram of nonlinearity compensator of probe characteristic

Выбор оптимального сопротивления нагрузки

Для теоретического обоснования метода компенсации нелинейности и выбора оптимальных параметров схемы выведем зависимости ивх(Ях) и

идел(Кэ).

Входное напряжение светодиодного индикатора При плавном повышении входного напряжения СИ от нуля сначала загорается крайний правый по схеме рис. 6 светодиод (УО 24). Следующий свето-диод загорится при дальнейшем повышении напряжения на величину, равную падению напряжения на диоде УО 12, и т.д. Таким образом, входное напряжение СИ, необходимое для последовательного зажигания светодиодов, можно представить следующим образом:

U = U - Un,

(3)

где и0 - напряжение зажигания всех светодиодов, ид среднее падение напряжения на диодах (УО 2 -12), п = 1,2,.. .10 - номер светодиода.

При подстановке конкретных числовых значений получаем:

U,,

10,25 - 0,75n.

(4)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Свечению всех 10 светодиодов соответствуют максимальные значения концентрации и входного напряжения, а также минимальное значение сопротивления сенсора:

Отсюда следует, что если выходное напряжение делителя совпадет с входным напряжением СИ, то выходное напряжение измерителя будет прямо пропорционально концентрации.

n = 10, Cmax = 100 ppm, R™ = R = 10 кОм. Свечению 9 светодиодов соответствуют значения:

n = 9, Cmax = 90 ppm, Rs _ R _ R í у

Выходное напряжение делителя Выходное напряжение делителя описывается выражением

и _ Uпит RL

вых R, + R

12

12

1+Rs/Rl

1 + k0 RS

(8)

Таким образом,

RS _ R1

10 11 - n

(5)

Сравнение выражений (6) и (8) показывает, что условием получения максимально возможной точности измерения является подбор оптимального сопротивления нагрузки ЯЬ (коэффициента к0).

RS = 10

10

n _ 11 -

52,48

RS

11 - n

1 a

52,48

(11 - n)0'7

RS.

_ 11 - 52481 = 11 - 244,32

Rk

Отсюда

244,32 1 183,24 U„„ = 10,25 - 0,75| 11--h- 1 = 2 +-; (6)

Rk

Rk

Rl _ A

R0 ca

RS _ R0 при С = 100 [4], отсюда A _ 100a;

rS a _ r1 c

100 1

C

C Rk 100R0k

и _ 2 + _ 2 + —^0 _ 2 + К0С = 2 + 0,0748С ,(7) вх я! 100Я0к 0

где К0 - постоянный коэффициент.

Выражение (7) является уравнением прямой линии, и, следовательно, ивх(С) (амплитудная характеристика СИ) является линейной функцией концентрации (рис. 9).

Расчет оптимального сопротивления нагрузки Расчет приведем на примере первого диапазона измерений. Оптимальным значением сопротивления нагрузки для зависимости (8) является Я, = Я8. При

этом ивых = ипит/2 = 6 В.

183,24

U _ U _ 6 = 2 + - ,

вых 0k

Rk

отсюда Rl _ RS ~ 15,7 кОм.

Рис. 10. Зависимость входного напряжения СИ от сопротивления сенсора (верхняя кривая) и зависимость

выходного напряжения делителя для RL = 15,7 кОм Fig. 10. Sensor resistance (upper curve) dependence of input voltage of LED indicator; divider output voltage dependence for Rl = 15.7 кП

Вид зависимостей ивых(Ях) и ивхЯ) при Я, _ 15,7 кОм приведен на рис. 10. Понятно, что кривые не могут совпадать во всем диапазоне, но в диапазоне 15 < Ях < 52,5 кОм отклонения относительно небольшие. Из рис. 10 видно, что при уменьшении ЯЬ нижняя точка пересечения кривых соответствует

RS = 30 кОм, U„ _ 2 +

Отсюда

183,24 30k

3,627 В.

Рис. 9. Амплитудная характеристика светодиодного индикатора Fig. 9. Amplitude characteristic of LED indicator

Rllim _

RsUв

U„„ - и

3,627 • 30 12 - 3,627

12, 99 кОм.

Таким образом, оптимальное сопротивление нагрузки находится приблизительно в середине диапазона 13 < Я1 < 15,7 кОм.

Для совпадения кривых во всем диапазоне изменения сопротивления сенсора между делителем и СИ включается нелинейный усилитель (НУ) (рис. 8). Коэффициент усиления НУ равен 1 при ивх < 6 В и постепенно повышается до 1,32 при росте напряжения до максимального значения [5]. На рис. 11 приведена зависимость ивх(Ях) (плавная кривая) и ивых№) для оптимального сопротивления нагрузки (14,51 кОм) при подключении НУ.

рода работ («ГОТОВ») и еще одно сопротивление нагрузки, соответствующее этому положению переключателя.

m 10

9

С 8

еи 7

не * 6

к 5

р

п а 4

н 3

ео 2

и 1

о

X m 0

20 30 40

Сопротивление сенсора, Rs кОм

Рис. 11. Зависимость входного напряжения СИ от сопротивления сенсора (плавная кривая) и зависимость выходного напряжения делителя для оптимального сопротивления нагрузки (14,51 кОм). Между делителем и СИ включен НУ Fig. 11. Sensor resistance (smooth curve) dependence of input voltage of LED indicator; divider output voltage dependence for optimum load resistance (14.51 kO). NA is connected between the divider and LED indicator

Расчеты показывают, что погрешность измерения при этом способе компенсации нелинейности не превышает 7,5% и зависит от точности подбора резистора нагрузки и коэффициента усиления НУ. Таким образом, найдено простое и недорогое техническое решение [6]. СИ, кроме своей основной функции измерителя, является еще и компенсатором нелинейности.

Фирма-изготовитель датчика указывает на его следующий недостаток: в первые секунды после включения Ях резко понижается в связи с нагревом датчика независимо от присутствующего газа, а затем достигает устойчивого уровня, соответствующего окружающей атмосфере. Продолжительность этого переходного процесса не регламентируется и зависит от типа датчика, атмосферных условий во время хранения и от длительности хранения. Скачок выходного напряжения (рис. 12) может привести к ложному срабатыванию сигнализации в момент включения электропитания. Фирма-изготовитель рекомендует специальную схему для предотвращения ложного срабатывания [4].

При разработке прибора нами было предложено не идти по этому пути, а превратить этот недостаток в преимущество. Для этого в схему прибора было введено еще одно положение переключателя

Рис. 12. Переходный процесс при включении датчика Fig. 12. Transition process at probe activation

Величина сопротивления рассчитывается таким образом, чтобы в момент минимального сопротивления сенсора и максимального выходного напряжения (сразу после включения) загорелись все светодиоды СИ, а в момент установления напряжения выходное напряжение было меньше напряжения зажигания одного светодиода. Процесс прогрева можно наблюдать по последовательному погасанию всей светодиодной шкалы справа налево. В результате получился наглядный индикатор готовности. Отключение крайнего левого светодиода сигнализирует о завершении переходного процесса и готовности прибора к измерениям.

Данный метод компенсации нелинейности не претендует на высокую точность, но является очень простым, дешевым, наглядным и надежным. Для приборов, требующих более высокой точности измерения (цифровых), нами был разработан другой метод.

Цифровые приборы серии «Посейдон-7» (рис. 13)

Рис. 13. Передняя панель разрабатываемого цифрового

прибора «Посейдон-7» Fig. 13. Front panel of developed digital device "Poseidon-7"

Схема компенсации нелинейности датчика

Блок-схема компенсации нелинейности характеристики датчика прибора «Посейдон-7» приведена на рис. 14.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

0

Рис. 14. Блок-схема компенсации нелинейности

характеристики датчика Fig. 14. Block diagram of nonlinearity compensation of probe characteristic

Источник тока Выходной ток источника тока (ИТ) (рис. 15) постоянен на всем диапазоне изменений сопротивления сенсора (Rs), следовательно,

U = I RS = ^RS = — RS = KRS = КАС, (9)

вых вых ^D^DS S

rl rl

где К - постоянная величина здесь и далее по тексту (К = const).

+5 В

КТЭ102Е

Рис. 15. Схема источника тока Fig. 15. Scheme of current source

Логарифмический преобразователь Сигнал с выхода ИТ через дифференциальный усилитель (ДУ1) поступает на вход логарифмического преобразователя (ЛИР) (рис. 16). Выходное напряжение ЛПР равно [7]

U

kT,

_--ln

U

Л

V R1Ik0

--i

(10)

После проведения преобразований и учитывая, что U^/RJ^ » i, получаем:

U

kT,

:--ln

e

( U Л

вх

RA

1 Л0

T

e

[ln Uвх - ln R ))

—[ln (IKi ) - ln (М.С-а )] _ — (( + а ln с)

kT,

e

_ K2 + K3 ln с .

(11)

VT1

Рис. 16. Схема логарифмического преобразователя Fig. 16. Scheme of logarithmic transformer

Источник опорного напряжения Выходной сигнал ЛПР состоит из постоянной составляющей (К2) и члена, прямо пропорционального логарифму концентрации (K31nC). Выходное напряжение источника опорного напряжения (ИОН) (рис. 17) устанавливается равным по величине K2. Выходное напряжение ДУ2 равно разности выходных напряжений ИОН и ЛПР, т.е. прямо пропорционально логарифму концентрации:

ивых = - к4(K2 + Кз1п с - K2) =

kT

_ - K4 K3 ln с _ - K5 —ln с, e

(12)

где K4 - коэффициент усиления ДУ2.

-15 В

iQ1 к

R2 Г| 1 к it

VT1

6,8К

где к - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, е - основание натуральных логарифмов, 1к - обратный ток коллекторного перехода

транзистора.

КТЭ12Б VT2

R4 1

П1К

КТ501 Б

Рис. 17. Схема источника опорного напряжения Fig. 17. Scheme of reference voltage source

U

оп

Экспоненциальный преобразователь Выходной сигнал ДУ2 через усилитель УС поступает на вход экспоненциального преобразователя (ЭПР) [7].

' U е \ ( UДУ е

U- = -Л ^ехрI = -Л

= 4 ^1ехр

kT kT In CeK: ekT

kT

= K6ехр(InC) = KCC. (13)

Таким образом, выходной сигнал ЭПР прямо пропорционален концентрации водорода. Схема ЭПР приведена на рис. 18.

R1

VT1

КТ3107

15 К DA1

>

NC

NC

+L

-U

OP07CP

ляет не менее 50 мА. Схема индикатора утечки полностью построена на транзисторах, не требующих биполярного питания, поэтому отпадает необходимость преобразователя [11]. Входной ток ПУ, собранного на полевых транзисторах, составляет доли мкА. Таким образом, ток потребления всей схемы индикатора утечки вместе со схемой индикации (лабораторного образца) (рис. 20) без учета тока нагревателя датчика не превышает 6 мА.

КП303В

КП103В

VT1

ф

VT2

Лямбда-диод

Рис. 19. Схема порогового устройства на лямбда-диоде Fig. 19. Scheme of lambda-diode based threshold device

Рис. 18. Схема экспоненциального преобразователя Fig. 18. Scheme of exponential transformer

Предлагаемый метод компенсации, в отличие от первого, является точным.

Индикаторы утечки типа «Ясон»

Индикаторы утечки водорода «Ясон» разрабатывались на основе датчиков Тв8 2620 и Тв8 2610. Фирма-изготовитель датчика предлагает стандартный метод обработки выходного сигнала. При превышении выходным сигналом датчика заданной величины сигнал компаратора обеспечивает включение внешней сигнализации. При разработке схемы индикатора было предложено заменить стандартную микросхему компаратора пороговым устройством (ПУ) [8]. ПУ представляет собой резистор и пару особым образом включенных полевых транзисторов разной структуры, так называемый «эквивалент лямбда-диода» [9, 10] (рис. 19).

Индикатор утечки должен быть рассчитан на круглосуточную работу, и, следовательно, предполагается его питание от сети, точнее, от стандартного сетевого стабилизированного блока питания на 9 или 12 В. Микросхема компаратора в стандартном включении требует биполярного питания, т.е. ±15 В. Это приводит к необходимости включения в схему индикатора преобразователя напряжения (вход +9 В, выход ±15 В). Совместный ток потребления компаратора и преобразователя состав-

Рис. 20. Лабораторные образцы индикаторов утечки «Ясон» Fig. 20. Laboratory samples of leak indicators "Yason"

Очевидным является существенное снижение тока потребления. Схема может быть сделана очень миниатюрной (измерительная часть содержит 6 маломощных транзисторов).

Компаратор отличается от ПУ более высоким быстродействием (доли мкс), что в данном применении несущественно. ПУ обладает еще одной особенностью: при превышении входного напряжения установленного порога напряжение на выходе компаратора устанавливается равным 5 В и больше не меняется, а напряжение на выходе ПУ растет пропорционально входному. Таким образом, при достижении, например, 2% концентрации включается звуковая и световая сигнализация, а при дальнейшем росте концентрации громкость звучания повышается. Кроме того, возможна установка разных порогов срабатывания для звуковой и световой сигнализации. Схема может быть легко приспособлена для индикации других газов (метан, пропан,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

6

3

и

углекислый газ и др.), т.е. может использоваться в быту (газовая плита), на шахтах (размещаться в каске шахтера), в автомобильной промышленности (зарядное устройство для аккумулятора) и др.

Для калибровки приборов был разработан и испытан метод [12-14], позволяющий проводить все необходимые измерения в нашей лаборатории. Суть метода состоит в том, что в барокамеру объемом 1 л, заполненную чистым воздухом, с помощью разработанной в НТЦ «ТАТА» установки подаются калиброванные порции 100% водорода. Электронная часть установки производит измерения, соответствующие каждому подаваемому значению концентрации, после чего все необходимые параметры калибруемого сенсора получают расчетным путем. Калибровке подвергается каждый сенсор с помощью калибратора «Figaro», разработанного в НТЦ и представляющего собой упрощенный вариант течеискателя.

Надежность приборов

Таблица 2

Режимы работы элементов схемы

Table 2

Operating regimes of scheme elements

Элемент схемы Предельно допустимый ток элемента, А Максимальный ток через элемент, А

К142ЕН5А 1,5 0,7

К142ЕН8Б 1,5 0,7

КТ829А 8,0 0,14

КТ312Б 30 мА 12 мА

КД105А 0,3 0,14

L1553IDT 30 мА 14 мА

TEN 25 - 1223 1 0,7

АЛ307Д 22 мА 15 мА

Для оценки надежности существует понятие интенсивности отказов А:

А_

AN

N At

(14)

где АЫ - количество отказов, N - общее число компонентов, At - время наблюдения.

Очевидно, что надежность обратно пропорциональна числу элементов схемы. При разработке те-чеискателей и индикаторов производился поиск наиболее простых технических решений и схем, содержащих минимальное число элементов. Так, например, СИ является одновременно измерителем концентрации, компенсатором нелинейности и устраняет необходимость специальной схемы ложного срабатывания сигнализации. Кроме того, схема СИ -самая простая из всех возможных (содержит только пассивные радиоэлементы). Другие схемы СИ содержат транзисторы или микросхемы и не имеют экспоненциальной ВАХ.

Интенсивность отказов, срок службы и надежность электронных компонентов в значительной степени зависят от температуры. Эта зависимость описывается законом Аррениуса [15]:

А _ exp| -

V.

kT

(15)

где Уа - энергия активации, эВ.

С ростом температуры элементов, входящих в состав устройства, его надежность уменьшается по экспоненте.

При разработке схем большое внимание уделялось уменьшению тепловыделения элементов. Транзисторы, диоды и микросхемы выбирались так, чтобы максимально возможные в схеме токи, напряжения и мощности рассеяния были существенно меньше предельно допустимых режимов работы (табл. 2).

Микросхемы стабилизаторов и мощные транзисторы снабжены теплоотводами. Все элементы схемы «Посейдона» размещены на трех платах, расположенных на максимально возможном расстоянии с целью минимизирования взаимного теплового воздействия элементов друг на друга. Самый тепловыделяющий элемент схемы - датчик - расположен за пределами корпуса прибора (в щупе). Корпус прибора металлический и имеет размеры, допускающие значительные расстояния между платами. Температура внутри корпуса при работе прибора в течение 1 часа при максимальном токе потребления (0,7 А) составила 28 °С. Температура окружающей среды во время измерения - 18 °С. Эксперимент проводился в значительно более жестких условиях, чем требуется. Необходимо отметить, что такой режим работы (горят все светодиоды СИ) является запредельным. В этом режиме нужно немедленно перейти на более грубый предел измерения либо, если этот предел последний, выключить прибор и принимать меры по устранению аварийной утечки.

СИ и вся схема измерителя могут быть выполнены в монолитном исполнении (залита компаундом), что значительно повысит механическую прочность по сравнению с популярными цифровыми индикаторными приборами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научного центра МНТЦ (проект №1580 «Водородные детекторы»), Федерального агентства по науке и инновациям (Гос. контракты № 02.513.11.3469 от 16 июня 2009 г. и № 02.513.11.3205).

Коллектив НТЦ «ТАТА» выражает благодарность за активную помощь в создании приборов Гу-сакову Виктору Ивановичу и Тарасову Михаилу Сергеевичу. Коллектив будет очень признателен за критические замечания и предложения по дальнейшим усовершенствованиям выпускаемых приборов от заинтересованных лиц и организаций.

Список литературы

1. Нечаев Ю.С. Физические комплексные проблемы старения, охрупчивания и разрушения металлических материалов водородной энергетики и магистральных газопроводов // Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 7. С. 709-726.

2. http://www.analitpribor-Smolensk.ru.

3. http://gasFarmek.ru.

4. Figaro: датчики газов. Библиотека электронных компонентов. Вып. 30. М.: Изд. дом «Додэка», 2003.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 2. М.: Мир, 1993.

6. Патент № 2008130181. Газоанализатор водорода / Гусев А. Л., Забабуркин Д.И., Кондырина Т.Н., Немышев В.И.

7. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Изд. дом «Додэка», 2007.

8. Патент № 84988. Измеритель концентрации водорода / Гусев А. Л., Забабуркин Д.И., Немышев В.И.

9. Молотков В.И., Потапов Е.И. Исследование ВАХ маломощных полевых транзисторов и лямбда-диодов и расчет амплитуд автогенератора на лямбда-диоде // Радиоэлектроника. 1991. № 11. С. 108-110.

10. Дьяконов В.П., Семенова О.В. Переключающие устройства на А-транзисторах // ПТЭ. 1977. № 5. С. 96-98.

11. Патент №139729. Сигнализатор предельно допустимого параметра / Гусев А.Л., Забабуркин Д.И., Попкова В.Я.

12. Галинов И.В., Гладков В.С., Гусев А.Л., Заба-буркин Д.И. Способ калибровки водородных сенсоров методом барокамеры // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2007. № 10. С. 25-29.

13. Заявка на патент РФ. «Барокамера для калибровки газовых датчиков водорода». в01 № 27/14. 2009. / Гусев А.Л., Забабуркин Д.И., Гладков В.С., Галинов И.В., Гладышева Н., Немышев В.И.

14. Заявка на патент РФ. «Устройство калибровки газовых сенсоров». в01 № 27/14. 2009. / Гусев А. Л., Забабуркин Д.И., Гладков В.С., Галинов И.В., Гла-дышева Н.В.

15. Корис Р., Шмидт-Вальтер Х. Справочник инженера-схемотехника. М.: Техносфера, 2006.

ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ

1 Рй<.смйи:ие и ыфтубФжмлв газеты и журя алы

2 КИИГИ ИУЧ01>НИ№1

ПРЕССА РОССИИ

1 ГАЗЕТЫ И ЖУРНАЛЫ

там

ПОДПИСКА - 2010 на июль-декабрь по Объединенному каталогу «Пресса России»

На почте с июля 2010 г. проводится подписная кампания на

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»

по Объединенному каталогу Пресса России «ПОДПИСКА-2010, второе полугодие»

Условия оформления подписки (аннотация, индексы, стоимость) вы найдете в I томе каталога

ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

Контактный номер телефона специалиста по распространению (495) 661-20-30

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010