UA155880U

UA155880U - Gas-sensitive sensor-converter

Info

Publication number: UA155880U
Application number: UAU202303462U
Authority: UA
Inventors: Іван Михайлович Вікулін; Иван Михайлович Викулин; Лідія Федорівна Вікуліна; Сергій Анатолійович Михайлов; Олександр Аскольдович Назаренко
Original assignee: Національний Університет "Одеська Морська Академія"; Іван Михайлович Вікулін; Иван Михайлович Викулин; Лідія Федорівна Вікуліна; Сергій Анатолійович Михайлов; Олександр Аскольдович Назаренко
Priority date: 2023-07-17
Filing date: 2023-07-17
Publication date: 2024-04-17

Abstract

The gas-sensitive sensor-converter consists of a gas chamber with the gas under study, in which there is a permanent magnet, between the sharp poles of which a sensor sensitive to changes in the magnetic field is located. The sensor is a semiconductor single-junction magnetotransistor operating in a relaxation oscillator circuit.

Description

Газочутливий сенсор-перетворювач, що складається з газової камери з досліджуваним газом, в якій знаходиться постійний магніт, між гострими полюсами якого розташований чутливий до змін магнітного поля датчик. При цьому як датчик використовується напівпровідниковий одноперехідний магнітотранзистор, працюючий у схемі генератора релаксаційних коливань. При зміні концентрації газу в камері міняється величина магнітного поля, що призводить до зміни частоти генератора, що є вихідним параметром сенсора.A gas-sensitive sensor-transducer consisting of a gas chamber with the test gas, in which there is a permanent magnet, between the sharp poles of which there is a sensor sensitive to changes in the magnetic field. At the same time, a semiconductor single-junction magnetotransistor operating in the relaxation oscillation generator scheme is used as a sensor. When the concentration of gas in the chamber changes, the magnitude of the magnetic field changes, which leads to a change in the frequency of the generator, which is the output parameter of the sensor.

Корисна модель належить до аналізаторів складу газової суміші і може використовуватися у вимірювальних приладах, засобах автоматики та екології.The useful model belongs to gas mixture composition analyzers and can be used in measuring devices, automation and ecology tools.

Відомі конструкції магнітних газоаналізаторів, в яких контейнер з досліджуваним газом розташовується між гострими полюсами магніту. Всередині контейнера розміщено чутливий до зміни магнітного поля датчик тієї або іншої конструкції. При зміні складу газу змінюється щільність магнітного потоку через камеру з газом, за величиною цієї зміни датчиком і визначається концентрація вимірюваної компоненти газу (кисень, водень та інші (11).There are known designs of magnetic gas analyzers in which the container with the tested gas is located between the sharp poles of the magnet. Inside the container, a sensor of one design or another, sensitive to changes in the magnetic field, is placed. When the composition of the gas changes, the density of the magnetic flux through the gas chamber changes, and the sensor determines the concentration of the measured gas component (oxygen, hydrogen, etc.) by the magnitude of this change (11).

Найближчим аналогом корисної моделі є газоаналізатор для визначення вмісту кисню в навколишньому газовому середовищі (2). Він складається з постійного магніту, між гострими полюсами якого розміщена камера з досліджуваним повітрям. Усередині камери розміщений датчик - напівпровідниковий двоколекторний магнітотранзистор. У відсутності в камері вимірюваного кисню різниця напруги між колекторами дорівнює нулю. При заповненні камери киснем магнітне поле в ній збільшується і напруга між колекторами росте пропорційно величині концентрації кисню.The closest analog of a useful model is a gas analyzer for determining the oxygen content in the surrounding gas environment (2). It consists of a permanent magnet, between the sharp poles of which there is a chamber with the tested air. Inside the camera is a sensor - a semiconductor double-collector magnetotransistor. In the absence of measurable oxygen in the chamber, the voltage difference between the collectors is zero. When the chamber is filled with oxygen, the magnetic field in it increases and the voltage between the collectors increases in proportion to the oxygen concentration.

Недоліком цього газоаналізатора є те, що вихідним сигналом є напруга постійного струму, пропорційна величині концентрації вимірюваного газу. Нині розширюється застосування систем обробки сигналів від різних датчиків на ЕОМ, вхідним сигналом для яких є змінна напруга, частота якої пропорційна концентрації вимірюваної величини |З). Тому для обробки сигналів від даного газоаналізатора на ЕОМ доводиться створювати додаткові пристрої, що перетворюють вихідний сигнал постійного струму в змінний, де інформативним параметром є частота сигналу.The disadvantage of this gas analyzer is that the output signal is a DC voltage proportional to the concentration of the measured gas. Currently, the application of signal processing systems from various sensors on computers is expanding, the input signal for which is an alternating voltage, the frequency of which is proportional to the concentration of the measured value |Ж). Therefore, in order to process signals from this gas analyzer on a computer, it is necessary to create additional devices that convert the output signal of direct current into alternating current, where the informative parameter is the frequency of the signal.

В основу корисної моделі поставлена задача застосування пристрою, вихідним параметром якого є частота сигналу змінного струму, пропорційна величині концентрації вимірюваного газу, як датчика.The useful model is based on the task of using a device, the output parameter of which is the frequency of an alternating current signal, proportional to the value of the concentration of the measured gas, as a sensor.

Зо Поставлена задача вирішується тим, що як датчик газочутливого сенсора використовують одноперехідний транзистор (ОПТ), включений в схему генератора релаксаційних коливань, .The problem is solved by using a single-junction transistor (OPT) included in the circuit of the relaxation oscillation generator as a gas-sensitive sensor sensor.

На фіг. 1 показана конструкція газоаналізатора, яка ілюструє взаємне розташування полюсів магніту М та З і чутливої площини ОПТ. Полюси магніту мають бути загострені для створення неоднорідного магнітного поля. Неоднорідне магнітне поле втягує молекули парамагнітного кисню в ділянку розташування ОПТ і виштовхує молекули діамагнітних газів, що значно збільшує чутливість газоаналізатора. Пунктиром показані лінії індукції В магнітного поля. На фіг. 2 показана електрична схема включення датчика, що є генератором релаксаційних коливань на основі ОПТ, трьох резисторів і конденсатора. Вхідна вольт-амперна характеристика ОПТ має ділянку негативного диференціального опору 5-типу і характеризується напругою включення Ов і залишковою напругою Шо (4). При включенні джерела живлення Е конденсатор С заряджається до напруги Ов, емітерний перехід ОПТ включається і конденсатор розряджається до напруги Оо, потім процес повторюється. Частота коливань визначається як 2 /С(Ов-Оо) де І - струм зарядки конденсатора через резистор Кз. Вихідний сигнал знімається з резистора Пі ії є імпульсами з частотою Її. Дія магнітного поля проявляється в тому, що воно збільшує траєкторію руху інжектованих з емітера носіїв заряду, а це збільшує внутрішній опірIn fig. 1 shows the design of the gas analyzer, which illustrates the relative location of the magnet poles M and Z and the sensitive plane of the OPT. The poles of the magnet must be sharpened to create a non-uniform magnetic field. The inhomogeneous magnetic field pulls in paramagnetic oxygen molecules into the location of the OPT and pushes out diamagnetic gas molecules, which significantly increases the sensitivity of the gas analyzer. Lines of induction B of the magnetic field are shown dotted. In fig. 2 shows the electrical circuit of the sensor, which is a generator of relaxation oscillations based on OPT, three resistors and a capacitor. The input voltage-current characteristic of the OPT has a section of negative differential resistance of type 5 and is characterized by the inclusion voltage Ov and the residual voltage Sho (4). When the power source E is turned on, the capacitor C is charged to the voltage Ov, the emitter junction of the OPT is turned on and the capacitor is discharged to the voltage Oo, then the process is repeated. The frequency of oscillations is defined as 2 /С(Ов-Оо) where I is the charging current of the capacitor through the resistor Kz. The output signal is removed from the resistor Pi and is pulses with a frequency of Я. The effect of the magnetic field is manifested in the fact that it increases the trajectory of the charge carriers injected from the emitter, and this increases the internal resistance

ОПТ і величину Об, що призводить до росту частоти генерації. Таким чином, зі збільшенням індукції магнітного поля частота генерації росте. При роботі сенсора збільшення концентрації кисню в камері призводить до росту індукції В магнітного поля, а це призводить до збільшення вихідної частоти сенсора.OPT and the value of Ob, which leads to an increase in the generation frequency. Thus, as the magnetic field induction increases, the generation frequency increases. During the operation of the sensor, an increase in the concentration of oxygen in the chamber leads to an increase in the induction of the magnetic field, and this leads to an increase in the output frequency of the sensor.

Газоаналізатор на основі ОПТ працює наступним чином.The gas analyzer based on OPT works as follows.

ОПТ розташовано між загостреними полюсами магніту, пристрій розміщено в газовій камері, де відбувається калібрування. Якщо визначається концентрація кисню в газовій суміші, то спочатку необхідно заповнити газову камеру сумішшю без кисню і відмітити на шкалі частотоміра частоту їо», що відповідає "нулю" концентрації кисню. Потім камера повністю заповнюється киснем і показники частотоміра їп беруться за 100 95 концентрацій кисню. При заповненні камери досліджуваним газом за показниками частотоміра їх, легко визначити концентрацію кисню:The OPT is located between the pointed poles of the magnet, the device is placed in the gas chamber, where calibration takes place. If the concentration of oxygen in a gas mixture is determined, then first it is necessary to fill the gas chamber with a mixture without oxygen and mark the frequency io", which corresponds to "zero" oxygen concentration, on the scale of the frequency meter. Then the chamber is completely filled with oxygen and the readings of the frequency meter ip are taken for 100 95 oxygen concentrations. When filling the chamber with the gas being tested, it is easy to determine the oxygen concentration according to the frequency meter readings:

Мес--їТп Тк/100.Mes--iTp Tk/100.

Слід зазначити, що кисень є парамагнітним газом, який концентрує магнітний потік.It should be noted that oxygen is a paramagnetic gas that concentrates the magnetic flux.

Більшість інших газів - це діамагнетики, в яких магнітний потік розширюється, а відповідно індукція В і частота ї змінюватимуться у зворотний бік.Most of the other gases are diamagnets, in which the magnetic flux expands, and accordingly the induction B and the frequency will change in the opposite direction.

Експериментальна перевірка роботи сенсора проводилася з використанням в схемі (фіг. 2) промислових транзисторів ОПТ - типу КТ117 в пластмасовому корпусі, який поміщався в газовій камері між полюсами магніту із заліза. Інші елементи генератора розташовувалися поза газовою камерою. При напрузі живлення генератора Е-20 В і ємності конденсатора С-0,01 мкФ у відсутності кисню частота генератора складала 0-30 кГц. Зі збільшенням вмісту кисню частота збільшувалася на 200 Гц на кожен відсоток росту концентрації кисню.An experimental test of the sensor was carried out using in the scheme (Fig. 2) industrial transistors OPT - type KT117 in a plastic case, which was placed in a gas chamber between the poles of an iron magnet. Other elements of the generator were located outside the gas chamber. With the supply voltage of the generator E-20 V and the capacity of the capacitor C-0.01 μF in the absence of oxygen, the frequency of the generator was 0-30 kHz. As the oxygen content increased, the frequency increased by 200 Hz for each percent increase in oxygen concentration.

Джерела інформації: 1. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальнье методь контроля загрязнений атмосферь. - Л.: Химия, 1981. - 297 с. 2. Патент України Мо 123930 ). Магнітоелектронний газоанализатор.//Вікуліна Л.Ф. та ін. -Sources of information: 1. Perehud E.A., Gorelyk D.O. Instrumental method of monitoring the polluted atmosphere. - L.: Chemistry, 1981. - 297 p. 2. Patent of Ukraine No. 123930). Magnetoelectronic gas analyzer.//Vikulina L.F. etc. -

Бюл. Мо 5, 12.03.2018. 3. Вьіглеб Г. Датчики: пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 196 с. 4. І.М. Мікиїїп, ГР. Мікиїїпа, М.Е. Согбаснем, М.5. МікНаїомУ. Сотбіпей зетісопаисіог іпіесіоп таднпеїіс Тієї вепзоге ог м/ігеієвз5 іпіоптайоп пеїмогКк5.//НадіоєІесігопісв апа Соттипісайоп зузівтв5, 2020, Мо1. 63, Мо 7, рр. 368-375. - ЛІІепоп Ргезв5. - М.-У. - 2020.Bul. Mo 5, 12.03.2018. 3. Vihleb H. Sensors: trans. with German - M.: Mir, 1989. - 196 p. 4. I.M. Mikiiip, GR. Mikiipa, M.E. Sogbasnem, M.5. McNayom Sotbipei zetisopaisiog ipiesiop tadnpeiis Tiei vepzoge og m/igeiyevs5 ipioptaiop peimogKk5.//NadioyeIesigopisv apa Sottypisaiop zuzivtvv5, 2020, Mo1. 63, Mo. 7, pp. 368-375. - LIIIepop Rgezv5. - M.-U. - 2020.

Claims

FORMULA OF THE USEFUL MODEL Gas-sensitive sensor-transducer consisting of a gas chamber with the gas being tested, in which there is a permanent magnet, between the sharp poles of which there is a sensor sensitive to changes in the magnetic field, which is characterized by the fact that a semiconductor single-junction magnetotransistor operating in the circuit is used as a sensor generator of relaxation oscillations. and Ж with Zakin she opEoUd x r Z 3 ko | sakonikinntyuyuk shchi

Fig. i ke KU EE "Fig. 2