CC BY
16PAPERS OF STUDENTS AND POST-GRADUATED STUDENTS
Статья поступила в редакцию 27.11.09. Ред. рег. № 650 The article has entered in publishing office 27.11.09. Ed. reg. No. 650
УДК 621.3.049.776.22
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ВОДОРОДНЫХ СЕНСОРОВ МЕТОДОМ БАРОКАМЕРЫ
И.В. Галинов1'2, В. С. Гладков2, А.Л. Гусев2, Д.И. Забабуркин2
1Томский политехнический университет 634050, г.Томск, пр.Ленина, 30 Тел. 8-923-409-80-70 2ООО Научно-технический центр «ТАТА» 607183 г. Саров, Нижегородская обл., а/я 683 Тел./факс (83130) 6-31-07, e-mail: gusev@hydrogen.ru
Заключение совета рецензентов: 02.12.09 Заключение совета экспертов: 07.12.09 Принято к публикации: 08.12.09
Предлагается высокопроизводительный и надежный способ калибровки водородных сенсоров барокамерным методом с волюметрической подачей контрольного газа. Суть метода состоит в том, что в предварительно откачанную барокамеру с известным объемом подается синтетический воздух (N2 +O2) до заданного давления и с помощью разработанной в НТЦ «ТАТА» установки волюметрическим методом подаются калиброванные порции контрольного газа. Автоматическая система установки включает в себя электронный блок-имитор вторичного прибора, а также компьютеризированную систему документирования и обработки информации.
Ключевые слова: водородный сенсор, концентрация газа, барокамера, калибровка приборов.
A METHOD FOR HYDROGEN SENSOR CALIBRATION USING A PRESSURE CHAMBER
I.V. Galinov1'2, V.S. Gladkov2, A.L. Gusev2, D.I. Zababurkin2
'Tomsk Polytechnic University 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russia
Tel. 8-923-409-80-70 2Scientific Technical Centre "TATA" Post Box Office 683, Sarov, Nizhny Novgorod reg., 607183, Russia Tel./fax (83130) 6-31-07, e-mail: gusev@hydrogen.ru
We propose a reliable high-performance hydrogen sensor calibration procedure using a pressure chamber with volumetric reference gas feeding. This method provides for the supply of synthetic air (N2 + O2) to a specified pressure into a pre-evacuated pressure chamber of a known volume and volumetric feeding of the reference gas in calibrated portions. The automatic control system of the unit includes an electronic secondary instrument simulator and a computerized documentation and data processing system.
Referred: 02.12.09 Expertise: 07.12.09 Accepted: 08.12.09
Особенно быстро развивающейся областью в настоящее время является альтернативная энергетика и природоохранные технологии [1-3]. При этом в качестве средства аккумулирования энергии чаще всего предполагают использование водорода ввиду эколо-гичности его сжигания и возможности получения водорода в любой точке планеты [4]. Вместе с тем водород обладает высокой способностью к диффузии и прохождению через конструкционные материалы, не имеет запаха и взрывоопасен даже при небольших концентрациях в воздухе. Для безопасного и эффективного обращения с водородом необходимы устройства, способные обнаруживать его примеси в газах, в
том числе и в атмосфере: измерители концентрации [5-6], индикаторы утечки [7] и т.д. Способность водорода проникать через микронеплотности уже сейчас используется в течеискании. Небольшие добавки водорода при опрессовках трубопроводов, емкостей и различного рода технических конструкций обеспечивают надежный поиск как локальных, так и интегральных негерметичностей [8].
В связи с разработкой вышеуказанных устройств возникает необходимость их периодической калибровки в условиях эксплуатации.
Новизна способа заключается в том, что вместо сложного вторичного прибора, имеющего вероят-
ность дополнительных погрешностей, используется универсальный электронный модуль (электронный блок-имитор вторичного прибора), разработанный в НТЦ «ТАТА», обеспечивающий калибровку любого вида датчика. Задача решается тем, что в отвакууми-рованный герметичный сосуд с известным объемом подается синтетический воздух (N2+02) до заданного рабочего давления эксплуатации, а также волюметри-ческим способом подаются контрольный газ (например, водород) для обеспечения заданной рабочей концентрации и газы-примеси, присутствующие в условиях эксплуатации. Заданный объем контрольного газа и газов-примесей подают через дозатор с обеспечением контроля утечки (например, через расположенный под водой стеклянный цилиндрический про-градуированный сосуд (возможно, медицинский шприц или мензурку), запаянный сверху. Давление газа в сосуде вытесняет воду, и по положению раздела фаз вода-газ в мензурке определяют объем газа [9-10].
На рис. 1 представлены внешний вид и схема установки.
Рис. 1. Внешний вид (а) и принципиальная схема (b) установки Fig. 1. General view (a) and schematic diagram (b) of the unit
Установка состоит из генератора водорода «Цвет-Хром» 1, стеклянной прозрачной емкости 2, мензурки 3, герметичной вакуумной камеры «ТАТА-45» 4, вентилятора 5, сенсора газа 6, вентиля V1, хлорвиниловых трубок 7 и 8, измерительной схемы 9 и манометра (МТИ ГОСТ 2405 - 80) Р1.
Калибровку водородного сенсора проводят по следующей методике. Для калибровки сенсора 6 в
барокамеру 4 с известным объемом каждый раз подают разное количество водорода из расчета, чтобы не выходить за пределы рабочего диапазона концентраций сенсора. Если сенсор предполагается использовать в нормальных условиях, барокамеру предварительно заполняют атмосферным воздухом комнатной температуры. Ввиду того, что водород легче воздуха, он будет концентрироваться в верхней части барокамеры. Для того чтобы этого не происходило, в барокамере с помощью вентилятора 5 создают принудительную циркуляцию воздуха и, как следствие, равномерное распределение водорода. Количеством водорода, адсорбированным поверхностью барокамеры и вентилятора, в наших экспериментах пренебрегали. Заданное количество водорода удается подать следующим образом: при закрытом вентиле VI водород, генерируемый генератором водорода 1, с помощью трубки 8 подается в мензурку 3 до тех пор, пока его объем в мензурке не достигнет объема трубки 7. В барокамере 4 путем откачки воздуха создается небольшое разрежение, для того чтобы создать небольшой перепад давлений с мензуркой 3. После этого регулировкой вентиля VI заполняют трубку 7 водородом, который вытесняет воздух в патрубке в барокамеру. Далее, заполняя мензурку заданным количеством водорода и перепуская его в барокамеру вентилем VI, каждый раз наращивают концентрацию водорода в барокамере и снимают показания вольтметра (рис. 2) для каждой поданной концентрации. Между подачей водорода в барокамеру и снятием показаний необходимо выждать время для установления показаний измерительного прибора [3].
Небольшие отклонения давления от атмосферного в мензурке, вследствие давления на нее водяного столба, не скажутся на объеме отмеряемого водорода, так как водород обладает малой плотностью и плохой сжимаемостью. Изменением давления в барокамере вследствие создаваемого небольшого разрежения пренебрегают ввиду малости.
В ходе работы авторами использовался полупроводниковый сенсор на основе тонкой пленки диоксида олова Тв8821.
Рис. 2. Измерительная блок-схема Fig. 2. Block diagram of measurements
Для представления сигнала водородного датчика в виде характеристической зависимости его сопротив-
а
b
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
ления от концентрации (чувствительности к водороду) используют измерительную схему, представленную на рис. 2.
Принцип действия схемы основан на зависимости сопротивления сенсора от концентрации газа:
R = R
A
С
(1)
где - электрическое сопротивление сенсора датчика, кОм; С - концентрация, ррт; а, А, Я0 - константы (а, А определяют из приведенной зависимости).
Константа Я0 в зависимости от конкретного экземпляра датчика может меняться от 1 до 10 и определяется экспериментально.
Вид зависимости в логарифмических координатах представлен на рис. 3 [11].
Рис. 3. Чувствительность датчика TGS821 к различным газам (R0 = RS при 100 ppm водорода) Fig. 3. Sensitivity of sensor TGS821 to different gases (R0 = RS at hydrogen content of 100 ppm)
Для определения сопротивления датчика использовали следующую схему включения сенсора (рис. 4).
Сопротивление сенсора Rs и сопротивление калибратора RL образуют делитель напряжения. Измеряя выходное напряжение ^вых, сопротивление Rs определяют по формуле: R = RL (U_ - )/, U^ = 12 В.
Полученная зависимость электрического сопротивления сенсора Rs от концентрации водорода и будет определять калибровочную линию.
Рис. 4. Делитель напряжения Fig. 4. Voltage divider
В ходе калибровки сенсора проводилось несколько серий экспериментов по определению постоянной R0.
Отличительной чертой предложенного метода является простота и дешевизна исполнения, хорошая воспроизводимость, возможность автоматизации процесса калибровки устройств.
Обработка результатов эксперимента
Электронный блок-имитор вторичного прибора представляет собой делитель напряжения, верхним плечом которого является сопротивление сенсора, а нижним - один из выбранных прецизионных резисторов. Величину резистора выбирают в зависимости от предполагаемой концентрации. Выходной сигнал делителя - напряжение U^ измеряют цифровым вольтметром. Электронный блок-имитор также выдает стабилизированные напряжения 12 В (питание сенсора и вентилятора) и 5 В (нагреватель датчика).
Схема калибратора представлена на рис. 5.
Из (1) следует:
lg(R,/Ro) = lg А -a lg С = lg A - (R'/ С ')lg С. (2)
Выражение (2) - уравнение прямой линии (рис. 3), где a - наклон прямой, а R', С/ - отрезки, отсекаемые прямой на осях координат. Величину a определяют по рис. 3, непосредственно измеряя длину этих отрезков (с учетом разных масштабов по осям a = 85,5-76,3/222,5-40,5 = 0,72).
Рис. 5. Принципиальная схема калибратора «FIGARO» Fig. 5. Schematic diagram of the FIGARO calibrator
Величину А (константа, определенная для данного химического состава) определим из условия Ях = Я0 при С = 100 ррт. Отсюда А/1000 72 = 1, А = 27,54. Из (1) также следует:
R0 = Rs (С/100)
(3)
Таким образом, измеряя значение Ях для каждого значения С, определяют чувствительность к водороду и значение постоянной Я0 для конкретного экземпляра датчика.
Временной дрейф характеристик датчика Расчет величины Я0 по результатам предварительных измерений показал, что полученный разброс значений не распределен по случайному закону относительно средней величины, а непрерывно возрастает с каждым новым измерением. Причиной этого является то, что в эксперименте не учитывался временной дрейф характеристик датчика. Сопротивление сенсора датчика непрерывно меняется после подачи напряжения. Для этого был проведен эксперимент по исследованию дрейфа сопротивления сенсора датчика. Эксперимент проводился по схеме рис. 2 [11] без подачи водорода. Результаты измерений в течение 8,5 часа приведены на рис. 6, 7. Из приведенной зависимости видно (рис. 7), что сопротивление сенсора непрерывно растет до момента установления в течение времени не менее 45 часов. Эксперимент по калибровке начался после прогрева в течение 2,5 часа.
Рис. 6. Временной дрейф выходного напряжения
делителя калибратора FIGARO Fig. 6. Output voltage drift with time for the FIGARO calibrator divider
Из приведенных зависимостей видно, что для проведения точных измерений необходимо прогревать датчик не менее 4-5 часов. Небольшие колебания сопротивления сенсора (рис. 7) обусловлены тем, что на дрейф выходного напряжения калибратора (ивых) накладывается временной дрейф напряжения лабораторного источника питания (примерно -1 мВ/мин), а также небольшие (0,1-0,2 В) случайные кратковременные изменения напряжения, вызванные изменениями нагрузки сети в лаборатории.
Учет температурного дрейфа характеристик датчика
При расчетах был учтен постоянный рост сопротивления сенсора. На рис. 8, 9 приведены зависимости сопротивления сенсора от концентрации (теоретическая и практическая) с учетом и без учета временного дрейфа.
5
О 800
о;
га" 600
а.
400
200
О
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Концентрация, С, ppm
Рис. 8. Зависимость сопротивления сенсора от концентрации без учета временного дрейфа сопротивления. Верхняя кривая представляет собой теоретическую зависимость, нижняя - практическую Fig. 8. Sensor resistance as a function of concentration without considering the resistance drift with time. The upper curve corresponds to theoretical dependence, and the lower one represents practical dependence
o:
800 ^ 600 400 200
С
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Концентрация, С ppm
Рис. 7. Временной дрейф сопротивления сенсора Fig. 7. Sensor resistance drift with time
Рис. 9. Зависимость сопротивления сенсора от концентрации с учетом временного дрейфа. Верхняя кривая представляет собой теоретическую зависимость, нижняя - практическую Fig. 9. Sensor resistance as a function of concentration accounting for the resistance drift with time. The upper curve corresponds to theoretical dependence, and the lower one represents practical dependence
Расчет величины постоянной R0 показал значение 3,11 кОм.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
0
Выводы
1. Эксперимент показал достаточно хороший уровень совпадения с теорией и реальную возможность калибровки с достаточной точностью.
2. Датчик может быть откалиброван с учетом любых условий эксплуатации: давления, температуры, газов-примесей, широкого диапазона концентраций.
3. В процессе эксплуатации предложенного калибратора был отмечен дрейф напряжения лабораторного источника питания (приблизительно 0,25 В за 4 часа). В схему калибратора необходимо ввести стабилизатор питания датчика.
4. Для повышения точности схему эксперимента желательно изменить так, чтобы нагрузочный резистор (Яь калибратора) находился вместе с датчиком в барокамере с целью получения одинаковых температурных и влажностных условий.
Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научного центра МНТЦ (проект № 1580 «Водородные детекторы»), Федерального агентства по науке и инновациям (Гос. контракт № 02.513.11.3469 от 16 июня 2009 г.) и Гос. контракт № 02.513.11.3205).
Список литературы
1. Государственный контракт №16.05.828 от 15 февраля 2005 г. (НТЦ «ТАТА» - МИНАТОМ РФ) «Анализ и выпуск информационных материалов по альтернативной энергетике и экологии».
2. Государственный контракт №16.04.331 от 10 февраля 2004 г. (НТЦ «ТАТА» - РОСАТОМ РФ) «Анализ и выпуск информационных материалов по альтернативной энергетике и экологии».
3. Государственный контракт № 16.06.828 от 15 февраля 2006 г. (НТЦ «ТАТА» - РОСАТОМ РФ) «Анализ и выпуск информационных материалов по альтернативной энергетике и экологии».
4. Гусев А.Л. и др. Столетний Меморандум от 13 ноября 2006 года Главам Большой Восьмерки // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 3. С. 11-12.
5. Гусев А.Л., Гудилин Е.А., Добровольский Ю.А., Немышев В.И., Гусаков В.И. Решение о выдаче патента (Форма №01 ИЗ-2008) по заявке на изобретение №2008115782/17(017716) от 21.04.2008. Датчик взрывоопасных концентраций водорода. МПК G01V3/26(2006.01) ООО НТЦ «ТАТА».
6. Гусев А.Л., Гудилин Е.А., Добровольский Ю.А., Кондырина Т.Н. Заявка на изобретение №2008118038/17(020803) от 05.05.2008. Датчик взрывоопасных концентраций водорода. ООО НТЦ «ТАТА».
7. Гусев А.Л., Наумчик И.В., Пеньков М.М. Повышение безопасности водородных систем на основе оптимального размещения детекторов водорода в теплоизоляционных полостях емкостей и трубопроводов // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2008. № 7. С. 20-24.
8. Гусев А.Л. Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели микропотоков газов и паров для контроля герметичности энергетических объектов (краткий обзор) // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2002. № 1. С. 30-48.
9. Заявка на патент РФ «Барокамера для калибровки газовых датчиков водорода» G01 № 27/14; 2009 год / Гусев А.Л., Забабуркин Д.И., Гладков В.С., Галинов И.В., Гладышева Н.В., Немышев В.И.
10. Заявка на патент РФ. «Устройство калибровки газовых сенсоров» G01 № 27/14; 2009 год / Гусев А.Л., Забабуркин Д.И., Гладков В.С., Галинов И.В., Гладышева Н. В.
11. Figaro: датчики газов. Библиотека электронных компонентов. Вып. 30. М.: Издательский дом «Додэка», 2003.
