Датчик содержания СО

Подпись

Пров.

Н.контр

Утв.

 

Лит.

Изм

Лист

№ докум.

Дата

Разраб.            

Дата
Пояснительная записка

Содержание

1 Введение                                                                                                                     

2 Назначение и область применения изделия                                                                                               

3 Техническая характеристика  изделия                                                                                    

4 Описание и обоснование выбранной конструкции                                                 

5 Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность изделия                                                                    

6 Описание организации работ с применением разрабатываемого устройства

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Приложения

А Обзор существующих технических решений

Б Перечень использованной литературы

В Копия технического задания

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
1 Введение

Концентрация газа измеряется в отношении содержания измеряемого газа к общему количеству газовой смеси. В данной разработки единицей измерения концентрации является ппм (10-6 от целой части).

Современные датчики содержания газов используют различные принципы преобразования степени концентрации измеряемого газа в электрический сигнал. Наиболее широко применяемыми методами этого преобразования являются: измерение электропроводимости, пьезоэлектрический метод, каталитический, магнитный, метод ультрафиолетового поглощения, термохимический. 

В табл. 1.1 приведены основные достоинства и недостатки различных методов преобразования концентрации газа в электрический сигнал.

Таблица 1 – Достоинства и недостатки методов преобразования концентрации газа в электрический сигнал

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Достоинства

Недостатки

Метод измерения электропроводимости

1.    Возможность измерения большого количества различных газов

2.    Налажено серийное производство

3.    Низкая стоимость

1.    Низкая селективность

2.    Зависимость электропроводимости от температуры и влажности

3.    Нестабильность во времени

Пьезоэлектрический метод

1.    Хорошая селективность

2.    Высокая чувствительность

3.    Большой срок службы чувствительных элементов

4.    Возможность определять влажность

5.    Стабильность во времени

1.    Основной недостаток состоит в выборе покрытия, которое должно селективно адсорбировать анализируемое вещество

Каталитический метод

1.    Широкий температурный диапазон

2.    Возможность измерения большого количества различных газов

1.    Низкая селективность

2.    Большая погрешность измерения

Магнитный метод

1.    Высокая стабильность нуля

2.    Надежность шкалы

1.    Большая постоянная времени

2.    Низкая чувствительность

Метод ультрафиолетового поглощения

1.    Возможность измерять с высокой точностью

2.    Незначительное влияние температуры на точность измерения

1.    Нелинейная зависимость монохроматического излучения от концентрации газа

2.    Высокая цена

Термохимический метод

1.    Возможность измерения большого количества различных газов

2.    Высокая точность

3.    Стабильность выходных параметров

1.    Низкая чувствительность

2.    Присутствие платиновой проволоки значительно увеличивает цену

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Датчики, использующие метод измерения электропроводимости, имеют в своей основе резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от концентрации газа. 

2 Назначение и область применения механизма

Датчик предназначен для измерения содержания СО. Он обеспечивает быстрое установление показаний при прыжках концентраций измеряемого газа. Высокая чувствительность разработки позволяет использовать ее в различных областях техники: в детекторах выхлопных газов, в газовых индикаторах для пожароопасных объектов, таких как печи, нагреватели, сушилки и др. 

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата

3 Техническая характеристика изделия

 

Основные параметры

Диапазон измеряемых концентраций .........…...........15 .. 1000 ппм

Предел допускаемой основной погрешности измерений ……. ±1%

Температура рабочей среды……………………………..от 0° до 100°С

4 Описание и обоснование выбранной конструкции

Датчик содержания СО представляет собой металлоокисную пленку, которая покрывает микронагреватель. Микронагреватель обеспечивает высокую чувствительность сенсора. Измеряемый газ поступает на элемент через угольный фильтр, который выполняет роль предохранителя, защищающего сенсор от других газов. Принцип действия датчика показан на рисунке 4.1.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата

Рисунок 4.1 – Принцип действия датчика

    Зависимость электропроводимости от концентрации описуется формулой

s - электропроводимость;

рсо – концентрация СО;

n – целое число (от 4 до 6), которое зависит от природы оксида, температуры и давления. 

Существующие на производстве технические решения для обеспечения требований, подобных указанным в ТЗ, приведены в приложении А.

5 Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность изделия               

Для обеспечения высокой чувствительности в датчике используется микронагреватель.  Характеристики этого элемента приведены в табл. 5.1

Таблица 5.1 –Характеристики микронагревателя

Характеристика

Минимал.

Среднее

Максимал.

Размерность

Напряжение

       _

      _

      5.0

        В

Ток

      37

     45

      50

       мА

Мощность

       _

     80

       _

       мВт

Сопротивление

(при U=0 В)

      72

     83

      94

       Ом

Сопротивление

(при U=4.5 В)

      90

    105

     120

       Ом

Изменение напряжения микронагревателя во времени показано на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 - Изменение напряжения микронагревателя во времени

Изменение температуры микронагревателя во времени показано на рисунку 5.2.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
я во времени

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
яется как отношение сопротивления резистора в чистом воздухе к сопротивлению в газе:

Rs(air) – сопротивление в чистом воздхе;

Rs(gas) - сопротивление в газе.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
  В таблице 5.2 показаны основные характеристики чувствительности данного изделия.

Таблица 5.2 – Характеристики чувствительности

Характеристика

Минимал.

Среднее

Максимал.

Размерность

Сопротивление

в чистом воздухе

     

       _

   

   1000

    

        _

       

        кОм

Сопротивление

в газе (60 ппм )

     

       30

 

     150

     

      300

     

        кОм

Чувствительность

при Rs(air)/Rs(60)

    

       _

    

     6.0

 

       _

      

        _

Чувствительность

при Rs(15)/Rs(60)

    

      2.0

     3.5

 

     5.0

      

        _

Чувствительность

при Rs(60)/Rs(400)

     

      _

   

     2.5

   

      _

 

        _

Зависимость чувствительности от влажности показана на

 рисунке 5.3

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Типовая схема включения датчика приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Схема включения датчика

Сопротивление резистора сенсора

                                                                                                 (5.1)

Uвых – выходное напряжение;

Iс – ток, протекающий по резистору датчика;

Iс=5 мкА.

Исходя из формулы 5.1

                                                    Uвых=                                            (5.2)                                                                                     

Имея данные по чувствительности, приведенные в таблице 5.2, можна расчитать сопротивления резистора при начальной и конечной концентрации СО

Теперь расчитываем выходные напряжения при начальной и конечной концентрации СО

Uвых=

Uвых=

Таким образом выходное напряжение находится в диапазоне

от 0.3 В до 5.2 В.

На точность измерения наибольшее влияние оказывает температура. При температуре 20° С погрешность равна 1%. При изменении температуры на каждые 10° С погрешность возрастает на 20%.

                                                                            (5.3)

dо=1% - основная погрешность (при 20° С);

T – рабочая температура.

Расчитываем по формуле 5.3 погрешность в конце диапазона измерения (при 100° С)

%

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Расчитываем по формуле 5.3 погрешность в начале диапазона измерения (при 0° С)

%

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
6 Описание организации работ с применением разрабатываемого изделия

Присоединение датчика к источнику измеряемого угарного газа  осуществляется с помощью резьбового соединения.

Подключение датчика в измерительную цепь осуществляется с помощью соединительного кабеля.

Соединительный кабель стойкий к воздействию механических факторов, истираниям, плесневых грибов, газовых сред.

Конструкция и покрытие датчиков обеспечивает устойчивость к маслам и моющим средствам.

Приложение 1. Обзор и анализ существующих технических решений.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
В этом приложении рассмотрены датчики содержания СО десяти различных фирм. Характеристики этих приборов наиболее подходят к спроектированному техническому заданию.  

Газоанализатор «Монолит» фирмы «Гранат» изображен на рисунке 1.1. Газоанализатор предназначен для определения содержания загрязняющих веществ в промышленных выбросах топливосжигающих установок при проведении экологического контроля или оптимизации процесса горения топлива.

Рисунок 1.1 – Газоанализатор Монолит

Встроенный накопитель информации позволяет записывать ежедневные, суточные и.т.д. графики расхода жидкости в память расходомера и передавать их в ПК для составления отчета. Технические характеристики представлены в таблице 1.1

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Таблица 1.1 – Технические характеристики на Монолит

Погрешность

±1%

Измеряемые концентрации

0 – 5000 ппм

Вывод информации

Графический дисплей, аналоговый выход, встроенный накопитель на 50000 измерений, связь c ПК

Температурный диапазон

 0 – 45  оС

Габариты

200*80*200 мм

Вес электронного блока

3.0 кг

Газоанализатор "МОНОЛИТ" представляет собой малогабаритный переносной прибор, выполненный в прочном пластиковом пыле- и водонепроницаемом корпусе. Измерительная информация отображается на жидкокристаллическом дисплее, оснащенном подсветкой. Электропитание газоанализатора может осуществляться как от внутреннего аккумулятора, так и от сети переменного напряжения.

  Малогабаритный газоанализатор "ДАГ-500" выпускается организацией «Технополис». Удобный малогабаритный прибор с пятью электрохимическими датчиками. Большой выбор диапазонов измерения при заказе газоанализатора "ДАГ-500" позволяет эксплуатировать его на самых разных  объектах промышленности, как с низкими, так и высокими выбросами загрязняющих веществ. Прибор изображен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 -  Газоанализатор «ДАГ-500»

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
 Технические характеристики представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Технические характеристики «ДАГ-500»

Погрешность

±5%

Измеряемые концентрации

0 – 6000 ппм

Вывод информации

ЖК дисплей - 4 строки по 20 символов с подсветкой.

Температурный диапазон

 +10 – +40  оС

Габариты

220*110*70 мм

Вес электронного блока

1.3 кг

Дополнительно к газоанализатору можно подключить внешний термопринтер "ТП-500" для регистрации результатов измерения на месте и внешний датчик дифференциального давления. При работе с пневмометрическими трубками программное обеспечение газоанализатора ДАГ-500 позволяет в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06-90 определять скорость и расход газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.

  Прибор серии CO-W/M выпускается фирмой «Fuehlersysteme». Идеально подходит для регистрации уровня СО в таких областях применения как: подземные гаражи, туннели, автомобильные мастерские, погрузочные зоны, моторные испытательные стенды, изолированные помещения, картинговые трассы и т.д. Сигнал выхода 4-20 мА готов к дальнейшей обработке и может использоваться всеми общераспространенными приборами. Приборы этой серии особо характеризуются простой настройкой и измерительным элементом длительного срока эксплуатации. Технические характеристики прибора представлены в таблице 1.3.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
 Таблица 1.3 – Технические характеристики CO-W/M

Погрешность

±5%

Измеряемые концентрации

0 – 300 ппм

Вывод информации

Жидко-кристалический дисплей

Температурный диапазон

 +10 – +40  оС

Габариты

116*116*57 мм

Вес электронного блока

0.9 кг

 

  Прибор серии FLUKE CO-220 выпускается фирмой «Fluke». Позволяет быстро проводить точные замеры содержания СО. Большой жидкокристаллический дисплей с подсветкой показывает уровень содержания СО от 0 до 1000 ппм. Функция MAX Hold фиксирует и показывает максимальный уровень содержания СО. Аспиратор FLUKE СО-205 в комплекте, обеспечивает для датчика Fluke CO-220 пробы дымового газа до 371°С для измерения содержания СО. Технические характеристики прибора FLUKE СО-205  представлены в таблице 1.4.

  Таблица 1.4 – Технические характеристики FLUKE CO-220

Погрешность

±3%

Измеряемые концентрации

0 – 1000 ппм

Вывод информации

ЖК дисплей

Температурный диапазон

 0 – +50  оС

Габариты

178*51*40 мм

Вес электронного блока

0.15 кг

  Прибор серии CO-R/M выпускает «DSP». Идеально подходит для регистрации уровня окиси углерода (СО) в таких областях применения как: выставочные залы, музеи, автомобильные мастерские, конференционные помещения, изолированные помещения, кинотеатры и т.д. Сигнал выхода (0-10 В или 2-10 В) готов к дальнейшей обработке и может использоваться всеми общераспространенными приборами. Приборы этой серии не требуют технического обслуживания и характеризуются измеретельным элементом особо длительного пользования. Технические характеристики прибора CO-R/M  изображены в таблице 1.5.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Таблица 1.5 – Технические характеристики CO-R/M 

Погрешность

±1.6%

Измеряемые концентрации

0 –2000 ппм

Вывод информации

ЖК дисплей

Температурный диапазон

 0 – +50  оС

Габариты

100*80*27 мм

Вес электронного блока

0.15 кг

 Электронный газоанализатор КМ900 («Энерготест»)  предназначен для проверки, оперативной настройки и обслуживания котлов, печей, газовых турбин, горелок, дизельных установок, работающих на газе и легком мазуте, а также для контроля выбросов NOx. Прибор изображен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 -  Газоанализатор «КМ900»

 Технические характеристики на КМ900 представлены в таблице 1.6.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Таблица 1.6 – Технические характеристики КМ900

Погрешность

±5%

Измеряемые концентрации

0 – 1200 ппм

Вывод информации

дисплей, непрерывно отображающий 8 различных параметров

Температурный диапазон

 0 – +40  оС

Габариты

1000*8 мм

Вес электронного блока

1.0 кг

  Электронный газоанализатор КМ9106 («QUINTOX») предназначен для проверки, оперативной настройки и обслуживания котлов, печей, газовых турбин, горелок, дизельных установок, работающих на любом виде топлива, а также для контроля выбросов углеводородов, оксидов углерода, азота, серы. Вид прибора изображен на рисунке1.4.

  

Рисунок 1.4 – Газоанализатор КМ9106

Технические характеристики на КМ9106 представлены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Технические характеристики КМ9106

Погрешность

±5%

Измеряемые концентрации

0 – 10000 ппм

Вывод информации

дисплей, непрерывно отображающий 4 различных параметров

Температурный диапазон

 0 – +40  оС

Габариты

450*230*300 мм

Вес электронного блока

9.0 кг

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
  Газоанализатор оптимизации горения Анкат-310  предназначен для проведения периодического наблюдения параметров дымовых газов и температуры при проведении регулировочных работ по оптимизации режима горения различных видов топлива. Используется службами энергопредприятий; организациями, проводящими ремонт и наладку котельного оборудования; предприятиями, эксплуатирующими топливосжигающие установки, а также службами экологического и газового надзора. Прибор изображен на рисунке 1.5.

  

Рисунок 1.5 – Газоанализатор Анкат-310

Технические характеристики на Анкат-310 представлены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 – Технические характеристики Анкат-310 

Погрешность

±2%

Измеряемые концентрации

400 – 8000 ппм

Вывод информации

ЖК-дисплей с подсветкой

Температурный диапазон

 50 – +600  оС

Габариты

1000*200*72 мм

Вес электронного блока

0.7 кг

Газоанализатор Оптима предназначен для измерения концентрации окиси углерода в отходящих газах и сигнализации о появлении признаков неполного сгорания топлива. Прибор изображен на рисунке 1.6.

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата

Рисунок 1.6 - Газоанализатор Оптима

Технические характеристики на него поданы в таблице 1.9.

Таблица 1.9– Технические характеристики на прибор Оптима

Погрешность

±2%

Измеряемые концентрации

0 – 2000 ппм

Вывод информации

ЖК-дисплей с подсветкой

Температурный диапазон

 100 – 500  оС

Габариты

250*62*145 мм

Вес электронного блока

0.6 кг

  Полупроводниковый СО-сенсор фирмы Motorola предназначен для создания портативных и стационарных газоанализаторов, оринтированных на промышленные и жилые зоны, детекторов выхлопных газов, газовых индикаторов для пожароопасных объектов, таких как печи, нагреватели, сушилки и др. Технические характеристики прибора показаны в таблице 1.10.

 

Таблица 1.10– Технические характеристики CO-сенсора Motorola

Погрешность

±1%

Измеряемые концентрации

15 – 1000 ппм

Температурный диапазон

 0 – +100  оС

Габариты

16*10*10 мм

Вес электронного блока

0.1 кг

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись
В приложении 1 были изложены характеристики 10 различных приборов, измеряющих окись углерода. В таблице 1.11 проведена систематизация этих характеристик.

Таблица 1.11 – Характеристики приборов разных фирм

Фирма

Измеряемые концентрации,

ппм

Температурный диапазон,

оС

Погрешность,

%

Гранат

0 - 5000

0 - +45

1

Технополис

0 - 6000

+10 - +40

5

Fuehlersysteme

0 - 3000

+10 - +40

5

Fluke

0 - 1000

0 - +50

3

DSP

0 - 2000

0 - +50

1.6

Энерготест

0 - 1200

0 - +40

5

Quintox

0-10000

0 - +40

5

Анкат

400-8000

+50 - +600

2

Оптима

0 - 2000

+100 - +500

2

Motorola

15 - 1000

0 - +100

1

 

Просмотрев все характеристики, можна сделать вывод, что больше всего для выполнения данного задания подходит СО-сенсор фирмы Motorola MGS1100   

Лист

.Изм

Лист

№  докум.

Подпись

Дата
Приложение Б. Перечень использованной литературы

1 www.pressure.ru

2 www.kipenergo.ru

3 www.metran.ru

4 www.midaus.com

5 Аш Ж. «Датчики измерительных систем»

6 Профас «Измерения в промышленности»