RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12)OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: 318237 (22) Data zgłoszenia: 30.01.1997 (19) PL (11) 182078 (13) B1 (5 1) IntCl7 G01N 27/06 G01R 27/22 E21F 17/18 (54) Układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach (43) Zgłoszenie ogłoszono: 21.07.1997 BUP 15/97 (73) Uprawniony z patentu: Główny Instytut Górnictwa, Katowice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.11.2001 WUP 11/01 (72) Twórcy wynalazku: Stanisław Holek, Katowice, PL Adrian Holek, Katowice, PL PL 182078 B1 (57)Układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach, zawierający konduktometryczne czujniki z roztworem NaOH, pomiarowy i porównawczy, których obwody są włączone pomiędzy zasilający je generator a wejścia różnicowego wzmacniacza operacyjnego, połączonego poprzez prostownik ze wskaźnikiem zawartości oznaczanego składnika, znamienny tym, że ma drugi wzmacniacz (Us2) zintegrowany z diodami prostowniczymi, połączony z wyjściem różnicowego wzmacniacza operacyjnego (Us1) i wejściem przetwornika analogowo cyfrowego (A/C) z dekoderem, do którego jest dołączony wskaźnik w postaci wyświetlacza cyfrowego wycechowanego w ppm stężenia badanego składnika.
Układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach Zastrzeżenie patentowe Układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach, zawierający konduktometryczne czujniki z roztworem NaOH, pomiarowy i porównawczy, których obwody są włączone pomiędzy zasilający je generator a wejścia różnicowego wzmacniacza operacyjnego, połączonego poprzez prostownik ze wskaźnikiem zawartości oznaczanego składnika, znamienny tym, że ma drugi wzmacniacz (Us2) zintegrowany z diodami prostowniczymi, połączony z wyjściem różnicowego wzmacniacza operacyjnego (Us1) i wejściem przetwornika analogowo cyfrowego (A/C) z dekoderem, do którego jest dołączony wskaźnik w postaci wyświetlacza cyfrowego wycechowanego w ppm stężenia badanego składnika. * * * Przedmiotem wynalazku jest układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach, zawierający konduktometryczne czujniki z roztworem NaOH, pomiarowy i porównawczy. W czujniku pomiarowym miernika próbkę badanego gazu (atmosfery kopalnianej) doprowadza się do zetknięcia z roztworem 0,002 n NaOH. Zawarty w próbce CO2 reaguje z roztworem powodując zmianę konduktancji (przewodnictwa) roztworu w tym czujniku. Przy użyciu określonej ilości roztworu i badanego gazu, zmiana przewodnictwa roztworu jest miarą stężenia CO2 w badanym gazie. Oznaczenie stężenia CO wymaga najpierw utlenienia tlenku węgla do CO2, natomiast oznaczenie stężenia CH4 wymaga najpierw spalenia metanu do CO2. Utlenianie CO i spalanie CH4 odbywa się w przygotowanej do tego celu części konduktometrycznego miernika. W dotychczasowym mierniku elektrody czujnika pomiarowego włączone są w jedną, a czujnika porównawczego w drugą gałąź niezrównoważonego mostka pomiarowego zasilanego prądem zmiennym z generatora. Sygnał wychodzący z mostka, zależny od zmiany przewodnictwa roztworu w czujniku pomiarowym jest wzmacniany w mierniku, prostowany na złączu diodowym n-p i podawany na zaciski mikroamperomierza magnetoelektrycznego wycechowanego w procentach objętościowych oznaczanego składnika badanego gazu. Miernik ma dwie czułości pomiarowe: pierwszą, w której zakres badanego składnika wynosi 0-1 0 0 ppm (0-0,0 1 % objętościowych) przy użyciu 1 0 0 cm3 próbki badanego gazu oraz drugą, w której zakres badanego składnika wynosi 0-1 0 0 0 ppm (0-0, 1% objętościowych) przy użyciu 1 0 0 cm próbki. Dokładność odczytu na pierwszej czułości wynosi 1 ppm, natomiast na drugiej czułości 1 0 ppm. Wadą takiego rozwiązania jest prostowanie w nim zmiennego sygnału na złączu n-p. Złącze to nie przepuszcza prądu gdy napięcie na nim jest małe i nie przekracza określonego poziomu (około 0,7 V). Dlatego miernik pracuje z odwróconym "do góry nogami" mikroamperomierzem, którego wskazówka osiąga zero skali przy rozstrojonym mostku, natomiast zmiana przewodnictwa roztworu w czujniku pomiarowym w czasie wykonywania analizy, zbliżając mostek do równowagi, przesuwa wskazówkę od zera w prawo w kierunku końca skali, za którą znajduje się obszar bliski równowadze mostka, w którym złącze n-p niepoprawnie prostuje sygnał. Przy większym zaś sygnale równowaga mostka zostaje przekroczona, po czym wskazówka mikroamperomierza przesuwając się w lewo powraca ponownie na skalę i przesuwa się w kierunku zera skali. Wymaga to ciągłej obserwacji mikroamperomierza w czasie wykonywania analizy, gdyż oderwanie od niego wzroku może być przyczyną poważnego błędu oznaczania. W czasie bowiem oderwania wzroku od mikroamperomierza jego
182 078 3 wskazówka może przekroczyć zwrotny punkt za prawym końcem skali oraz przesuwając się w lewo powrócić na skalę i ustawić się na błędnej wartości, którą można uznać za poprawny wynik pomiaru, gdy nie zaobserwowało się ruchu wskazówki na prawy brzeg skali mikroamperomierza i jej powrotu na skalę. W czasie zaś poprawnego obserwowania mikroamperomierza, gdy zauważy się przekroczenie prawego brzegu skali lub powrót wskazówki ponownie na skalę, traci się czas wykonywanej analizy, gdyż pomiar należy powtórzyć po przyjęciu mniejszej czułości miernika. Ponowne analizy powodują ponadto niepotrzebne zużywanie części roztworu NaOH w czujniku pomiarowym, co wiąże się z koniecznością jego częstszej wymiany. Po każdej zmianie roztworu NaOH w czujnikach trzeba odczekać około 30 minut na nastanie warunków, w których roztwór w czujnikach jest przygotowany do rozpoczęcia nowej serii pomiarów. Ustawienie mikroamperomierza "do góry nogami" nie jest prawidłowe i stanowi przyczynę dalszych błędów wskazań miernika. W takim położeniu mikroamperomierza występuje bowiem dodatkowe tarcie w łożyskach zawieszenia wskazówki, która z tego powodu może ustawić się w niewłaściwym miejscu na skali, które nie odpowiada poprawnemu wskazaniu zawartości badanego składnika. Z powodu niewłaściwego zamocowania mikroamperomierza, ustawienie jego wskazówki zmienia swoje położenie na skali w czasie wstrząsu stołu, na którym ustawiony jest miernik, co jest przyczyną dalszych błędów pomiarowych. Układ elektroniczny konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach, zawierający konduktometryczne czujniki z roztworem NaOH, pomiarowy i porównawczy, których obwody są włączone pomiędzy zasilający je generator a wejścia różnicowego wzmacniacza operacyjnego, połączonego poprzez prostownik ze wskaźnikiem zawartości oznaczanego składnika, według wynalazku, ma drugi wzmacniacz zintegrowany z diodami prostowniczymi, połączony z wyjściem różnicowego wzmacniacza operacyjnego i wejściem przetwornika analogowo cyfrowego z dekoderem, do którego jest dołączony wskaźnik w postaci wyświetlacza cyfrowego wycechowanego w ppm stężenia badanego składnika. Przy stosowaniu układu elektronicznego według wynalazku wystarcza na ogół jednokrotne napełnienie roztworem NaOH czujnika pomiarowego i porównawczego na początku dniówki roboczej i roztwór ten wystarcza na serię pomiarów wykonywanych w czasie dniówki w laboratorium. Wartość sygnału wyprostowanego drugim wzmacniaczem zintegrowanym z diodami prostowniczymi, tworzącym liniowy prostownik wzmocnionego różnicowym wzmacniaczem operacyjnym sygnału zmiennego do pomiaru konduktancji, określa jednoznacznie stężenie badanego składnika próbki gazów z dokładnością odczytu na wyświetlaczu cyfrowym wynoszącą 1 ppm w zakresie 0-1000 ppm. Układ elektroniczny według wynalazku okazał się ponadto niewrażliwy na wstrząsy. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym schemat układu elektronicznego miernika. W układzie elektronicznym konduktometrycznego miernika zawartości CO2, CO i CH4 w gazach - atmosferze kopalnianej, obwód konduktometrycznego czujnika pomiarowego 1 oraz konduktometrycznego czujnika porównawczego 2 z roztworem 0,002 n NaOH, podłączone są pomiędzy zasilającym je generatorem G przebiegów prostokątnych, a wejściami różnicowego wzmacniacza operacyjnego Us1. Statyczne napięcie na wejściach różnicowego wzmacniacza operacyjnego Us1 jest równe w przybliżeniu połowie dodatniego napięcia zasilania układu i uzyskiwane za pomocą dzielników napięcia R1, R2 i R3, R4. W czasie trwania impulsów wypływających z zasilającego generatora G napięcie na elektrodzie A czujnika pomiarowego 1 oraz na elektrodzie A' czujnika porównawczego 2 jest w przybliżeniu równe dodatniemu napięciu zasilania układu. Natomiast w czasach między impulsami napięcie na wspomnianych elektrodach A i A' jest w przybliżeniu równe potencjałowi przewodu masy układu. Dzięki takiemu rozwiązaniu prąd płynący przez czujnik pomiarowy 1 i porównawczy 2 zmienia swój kierunek w takt pojawiania się i zaniku impulsów wypływających z generatora G, co skutecznie zapobiega polaryzacji elektrod A i A' w tych czujnikach. Przed rozpoczęciem serii pomiarów różnicę konduktancji roztworu w czujniku pomiarowym 1 i porównawczym 2 koryguje się za pomocą rezystora nastawczego Rwar znajdującego się w obwodzie czujnika porównawczego 2. W tych warunkach na wejściu różnicowego wzmacniacza operacyjnego Us1 sygnał zmienny jest równy zeru. Natomiast podczas przepływu próbki badanej
4 182 078 atmosfery przez czujnik pomiarowy 1 miernika, gdy następuje zmiana konduktancji roztworu w tym czujniku, na różnicowym wejściu tego wzmacniacza pojawia się sygnał (napięcie zmienne), którego wartość zależna jest od stężenia CO2 w badanej próbce. Wzmocniony w różnicowym wzmacniaczu operacyjnym Us1 sygnał zmienny prostowany jest za pomocą liniowego prostownika w postaci drugiego wzmacniacza Us2 zintegrowanego z diodami prostowniczymi. Wyprostowany sygnał z tego prostownika podawany jest na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego A/C z dekoderem. Cyfrowa wartość tego sygnału wykazywana jest na wyświetlaczu cyfrowym wycechowanym w ppm stężenia badanego składnika w próbce. Za pomocą zmiennej rezystancji Rkor możliwa jest korekta wzmocnienia liniowego prostownika i dopasowanie wskazań wartości odczytywanej na wyświetlaczu do znanej wartości stężenia badanego składnika w kontrolowanej mieszance. Po napełnieniu czujnika pomiarowego 1 i czujnika porównawczego 2 i po okresie niestabilności roztworu, który trwa około 30 minut, ustawia się za pomocą rezystora nastawczego Rwar wartość zero na cyfrowym wyświetlaczu układu, po czym wykonuje się czynności związane z oznaczaniem badanego składnika gazu zgodnie z instrukcją miernika. Zawartość badanego składnika odczytuje się na wyświetlaczu w ppm. Przed następną analizą można ponownie ustawić wartość zero na wyświetlaczu, można również przyjąć wskazaną wartość z poprzedniej analizy jako wartość początkową nowej analizy. W tym drugim przypadku, zastaną z poprzedniej analizy wartość wskazania należy odjąć od wartości odczytanej po zakończeniu nowej analizy w celu otrzymania wyniku nowej analizy w ppm. Tym sposobem można za pomocą raz napełnionych czujników pomiarowych 1 roztworem NaOH wykonać wiele analiz.
182 078
182 078 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.