• Nie Znaleziono Wyników

Model mostka pelistorowego w stanie nieustalonym po włączeniu napięcia zasilania

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Model mostka pelistorowego w stanie nieustalonym po włączeniu napięcia zasilania"

Copied!
9
0
0

Pełen tekst

(1)

Z E SZ Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 134

1994 N r kol. 1225

Jerzy JA K U B IE C Zbigniew PO K R Y W K A

M OD EL M O S T K A P E L IST O R O W E G O W ST A N IE N IE U S T A L O N Y M PO W Ł Ą C Z E N IU N A PIĘ C IA Z A S IL A N IA

Streszczenie. W artykule opisan o m od el m ostka p elisto ro w eg o zbud ow an y dla celó w analizy stanu n ieu stalon ego p o w łączen iu napięcia zasilania. M odel ten p ozw ala na w yodrębnienie z od p ow ied zi m ostka sygnału zw ią za n eg o z m ierzonym stężeniem gazu palnego.

A M O D E L OF P E L L IS T O R B R ID G E IN T R A N S IE N T ST A T E A FT E R SW IT C H IN G O N SU PP L Y V O L T A G E

Sum m ary. T he paper contains an analysis o f bridge circuit with the catalytic pellistor in transient state after sw itching on supply voltage. T h e m odel o f pellistor bridge enables to separate m easuring com bustible m ixtures concentration signal from the output signal o f bridge.

MOAEAb nEAHCTOPHOrO MOCTA B nEPEXOAHOM nPOLJECCE riOCAE BKAIOMEHUfl HAITPA>KEHHR nUTAHMR

PsrtioMfi. B craTbe onucawa MOASAb neAncropHoro Mocra nocrpoeHa aah aHaAH3a nepexoAHoro npouecca nocAe BKAtOMeHna HanptvKeHMH nwraHMH.

MoAeAb no3aaAHeT BbiAeAMTb M3 OTBeTa Mocra CMrHaA cBraaHtJM

c M3M@pBBM0M KOHUOHTpaUMeM MeT3Ha.

1. W ST Ę P

D o b u dow y czu jników służących d o pomiaru stężenia m ieszanek palnych najczęściej w yk orzystyw ane jest zjaw isko spalania katalitycznego. U kład em pom iarow ym pozw alającym

(2)

na uzyskanie u ży teczn eg o sygnału pom iarow ego takich czujników jest m ostek pelisterow y [4], przedstaw iony na rysunku la . D w a ramiona teg o m ostka stan ow ią rezystory R t i R2, dwa p ozostałe to pelistory: aktyw ny P A i pasyw ny (nazyw any rów nież kom pensacyjnym ) PP.

Pelistor m ożna w skrócie opisać jak o spiralkę z cienkiego drutu platynow ego zatop ion ego w perełce z materiału n asączon ego katalizatorem w przypadku pelistora aktyw nego. Pelistor pasyw ny nie zaw iera katalizatora. O budow ę p elistorów stan ow ią na o g ó ł odd zieln e m etalow e kubki w ielk ości tranzystora, w niektórych rozw iązaniach um ieszcza się oba pelistory w e w spólnej obu dow ie.

a ) b )

J. Jak u b iec. Z. P o k r y w k a

Rys. 1. M ostek pelistorow y; a) budow a, b) przebieg napięcia w yjścio w eg o po załączeniu napięcia zasilania

Fig. 1. Pellistor bridge; a) construction, b) output voltage after sw itching on supply voltage

Pelistor akatyw ny PA działa zarów n o jak o grzejnik podw yższający temperaturę katalizatora do temperatury zapłonu, jak i w parze z pelistorem pasywnym jako termometr rezystancyjny w yodrębniający sygnał zależn y od procesu spalania katalitycznego. P o czasie kilku d o kilkunastu sekund od m om entu załączenia napięcia zasilania m ostka je g o napięcie w y jścio w e Uwy ustala się (rys. Ib ), c o oznacza ró w n o w a g ę term iczną zarów n o w procesie nagrzew ania się pelistorów , jak i spalania katalitycznego. N ap ięcie w yjściow e w stanie ustalonym jest praktycznie proporcjonalne do stężenia gazu w zakresie niew ielkich stężeń (do o k o ło 1 0 % w przypadku m etanu) [4], W zględn ie długi czas ustalania napięcia w yjścio w eg o m ostka p ow od u je szereg trudności w praktycznych zastosow aniach. Trudno jest przede w szystkim u ch w ycić szybkie zm iany stężeń, c o ma m iejsce np. w trakcie wyrzutu metanu w kopalniach. Średnia w artość prądu zasilania m ostka w yn osi o k o ło 100 m A, a zatem długi czas p ojed yn czego pom iaru stw arza k o n ieczn o ść stosow ania odp ow ied n io w ydajnych źródeł zasilania, c o stanow i problem w przyrządach przenośnych. Ponadto pelistory zużyw ają się w

(3)

trakcie pom iarów , a to zm usza do częstej kalibracji przyrządów , c zy w ręcz pow odu je konieczn ość w ym iany czujnika.

M ożn a w skazać d w ie zasadnicze drogi poszukiw ania m ożliw o ści skracania pomiaru.

Jedna p olega na w prow adzaniu takich zmian w konstrukcji m echanicznej i tech nologii wykonania pelistora, które prow ad zą d o zm niejszenia stałych czasow ych procesu je g o podgrzewania. Przykładem najnow szych rozw iązań w tej dzied zinie m o że być konstrukcja pelistora w yk onan a tech niką cien k ow arstw ow ą opisana w pracy [1], dla której uzyskano czasy ustalania poniżej 0.1 s. Prace nad te g o rodzaju rozw iązaniam i są w toku i aktualnie trudno jest określić w szystk ie aspekty ich praktycznych zastosow ań.

W drugim sp osob ie zakłada się w ykorzystanie ju ż istniejących konstrukcji pelistorów , natomiast sk rócenie czasu pomiaru następuje w skutek uzyskiw ania w yniku je szc z e w stanie nieustalonym. N a pod staw ie przykładow ej o d p ow ied zi m ostka pokazanej na rysunku lb m ożna stw ierdzić, ż e tą m etod ą m ożna by uzysk ać kilkukrotne sk rócenie czasu pomiaru.

Zgodnie z ustnymi informacjami uzyskanym i od specjalistów z zakresu m etanom etri z kopalni doświadczalnej "Barbara" próby takie były pod ejm ow ane, lecz k oń czyły się niepow od zeniem . W literaturze brak jest analizy przyczyny tych n iep ow od zeń , lec z m ożna sądzić, ż e g łów n ym ich p o w o d em były zbyt proste środki użyte do uzyskania wyniku. Jeden z e sp o so b ó w polegał na określaniu stężeniu gazu na pod staw ie czasu przejścia przez zero o d p ow ied zi m ostka. C zas ten zależy jednak od w ielu czyn n ik ów nie zw iązanych z m ierzonym stężeniem , stąd dane tego krodzaju są praktycznie nieprzydatne.

W chw ili obecnej p ojaw iły się przesłanki osiągnięcia pozytyw n ych rezultatów w uzyskiw aniu w yniku pom iaru stężenia w stanie nieustalonym mostka. P rzede wszystkim dostępne są p o w szech n ie m ikroprocesory w raz z odpow ied nim oprogram ow aniem , m ogące szybko realizow ać z ło ż o n e algorytm y zbierania i przetwarzania danych pom iarow ych. Ponadto pojawiają się op racow ania szybkich algorytm ów odtw arzania w ejściow ych przeb iegów dynam icznych nieliniow ych przetw ornik ów pom iarow ych [2], p ozw alające na b ieżącą pracę przyrządów m ikroprocesorow ych.

Jednak w ykorzystanie tych potencjalnych m ożliw ości w ym aga przede wszystkim sz czeg ó ło w ej analizy m ostka p elistorow ego w stanie nieustalonym . A by u m ożliw ić taką analizę podjęto d w ojak iego rodzaju działania. P rzede w szystkim zb u d ow an o układ badania o d p ow ied zi m o stk ó w pelistorow ych opisany w pracy [3], U k ład ten um ożliw ia pomiar i rejestrację na dyskietkach wartości c h w ilow ych o d p ow ied zi m ostka, a także prądu płyn ącego

M o d el m o stk a p e l i s t o r o w e e o . . . _______________________________________________________________5 5

(4)

5 6 J. Jak u b iec. Z . P o k r y w k a

przez pelistory, c o w praktyce pozw ala na w yzn aczen ie za p o m o cą m ikrokom putera IB M PC zm ian w szystkich istotnych param etrów m ostka zach odzących w czasie trwania stanu nieustalonego.

Drugim istotnym etapem analizy jest opracow anie m odelu m ostka pelistorow ego w stanie nieustalonym , przeprow adzenie symulacyjnej analizy w łasn ości teg o m odelu i następnie p orów n anie w y n ik ó w symulacji z wynikam i rzeczyw istym i. P ostęp ow an ie takie p ozw oli na uzyskanie opisu m atem atycznego zjaw isk zw iązanych zarów n o z e spalaniem katalitycznym, jak i od działyw aniem w ielk ości w pływ ających na proces pomiaru. N ależy sp od ziew ać się, że p roces d och od zen ia do koń cow ej postaci m odelu będzie w ieloetapow y. W dalszym ciągu artykułu p rzed staw iono m odel m atem atyczny m ostka pelistorow ego w je g o podstaw ow ej postaci, stanow iącej punkt w yjścia do dalszych badań.

2. O PIS M O D E L U M O S T K A

M od el m ostka został zbud ow an y w oparciu o schem at pokazany na rysunku 2, przy następujących założeniach:

• napięcie zasilania o stałej w artości U 2 zostaje w łą c zo n e w chw ili t=0;

• rezystancja w ejścio w a układu odbierającego sygnał w yjściow y m ostka jest tak duża, że układ ten praktycznie nie ob ciąża mostka.

Rys. 2. Schem at id eo w y m ostka p elistorow ego Fig. 2. Schem atic diagram o f the pellistor bridge

(5)

M odel m o stk a p e lis t o r o w e e o 57 D la podanych za ło żeń napięcie w y jścio w e m ostka dla t> 0 m ożn a zapisać następująco:

u- ( ,> - 5 7 ^ e* - V ^ r = < »

Zakładając, ż e rezystancje Ri i R2 są stałe, rów nanie to m ożna przedstaw ić w postaci:

gdzie:

ma w artość stałą.

Spirale pelistorów P A i PP w yk on an e są z platyny, zatem ich rezystancje R A i RP m ożna wyrazić następującymi funkcjami temperatury:

R

a

O a)= RAoP + aSA - b 9 2 A] , (4)

R p ( 3 p ) = R [1 + a&p ~

bSpl

, ( 5 )

gdzie: S A,S P są to od p ow ied n io temperatury pelistora aktyw nego i p asyw n ego, R a0, Ri>o - rezystancje pelistorów w tem peraturze OC,

a, b - stałe m ateriałow e platyny.

P o załączeniu napięcia zasilania prąd I płynący przez pelistory pow odu je ich podgrzewanie. B iorąc pod u w a g ę m ałe wym iary perełki c h w ilo w e w artości temperatury pelistorów opisują rów nania ró żn iczk o w e zw yczajne:

t a^ + Sa = M a. ( 6 )

TP ^ + Sp = kPqP, (7)

gdzie. qA i qP są to strum ienie ciepła w yd zielan ego na pelistorach aktyw nym i pasywnym , Ta i TP - stałe cza so w e w procesie nagrzew ania się pelistorów ;

kA, kP - stałe w spółczynn ik i.

W sp ółczynnik i rów nania (6 ) i (7 ) są stałe przy założen iu, ż e sum aryczny strumień cieplny odd aw any na zew n ątrz d rogą konw ekcji i prom ieniow ania jest proporcjonalny do temperatury pelistora. W pierw szym przybliżeniu za ło żen ie takie m oże być przyjęte. Przy rozbudow ie m odelu przew iduje się przyjęcie rozw iązań uw zględniających fizykę zjawisk cieplnych.

(6)

58 J. Jak u b iec. Z. P o k ry w k a Strumień ciepła w yd zielan ego na pelistorze pasywnym m ożna opisać równaniem:

q P = i2R A . gdzie:

1 = U . Ra + R p

( 8 )

(9)

N atom iast strumień ciepła w y d zielo n eg o na pelistorze aktyw nym jest sum ą dw óch składników

q P = i2R A . (10)

gdzie: q - strumień ciepła w yd zielan ego w procesie spalania katalitycznego.

Podany zestaw równań nieliniow ych i wzajem nie pow iązanych tw orzy model m atem atyczny m ostka ap elistorow ego w stanie nieustalonym. M odel ten w postaci graficznej przedstaw iono na rysunku 3.

R*

L)"

p>_

R.

R(9)

R(10)

R(8)

4 .

H(6) > R(4)

1 ,

- 4 - R(7) R(5)

R.

Li ~

j-)

R,

R(2) 4 -

Rys. 3. Schem at b lok ow y m odelu m ostka pelistorow ego w stanie nieustalonym Fig 3. B lock-diagram o f the m odel o f the bridge in transient state

4. SY M U L A C JA K O M P U T E R O W A M O D E L U

W celu um ożliw ienia sym ulacyjnego badania w łasności m ostka p elistorow ego napisano program w język u Turbo Pascal na m ikrokom puter IB M PC. Program ten na podstaw ie zadanych param etrów m ostka um ożliw ia w yznaczę .Ł- o d p ow ied zi czasow ych w dow olnym

(7)

M o d el m o stk a p e lis t o r o w e e o 5 9

punkcie schem atu m odelu m ostka z rysunku 3. N a rysunku 4 a pok azan o dla przykłaldu obliczony przebieg napięcia w y jścio w eg o m ostka w porów naniu z przebiegiem zm ierzonym (rys. 4b) przy założen iu, ż e stała c za so w a pelistora p asyw n ego jest m niejsza od stałej pelistora aktyw nego. N a rysunkach 5a, b p rzed staw ione są w yniki dla sytuacji odwrotnej: stała czasow a pelistora aktyw nego jest w iększa.

4 a ) 4 b )

0.0 0 .5 1.0 1.5 2.0 2.5 3 .0 3 .5 4 .0

5 a ) u iu i

0 .0 0 .5 1.0 1.5 2 .0 2.5 3 .0 3 .5 4.0 4 .5 5.0

5 b )

Rys. 4,5. P rzykładow e przebiegi na w yjściu m ostka w stanie nieustalonym;

a) przebieg uzyskany na drodze symulacyjnej;

b) przebieg zm ierzony

Fig. 4 ,5 . E xem plary output vo lta g e in transient state a) m easuring results created by the sim ulation way;

b) m easuring results from real bridge

(8)

60________________________________________

5. U W A G I K O Ń C O W E I W N IO SK I

J. Jak u b iec. Z . P o k r y w k a

Z budow any m odel w raz z program em symulacyjnym w połączeniu z e stanowiskiem do badań m ostk ów pelikstorow ych stanow i bardzo przydatne narzędzie do analizy teg o rodzaju u kładów w stanach nieustalonych. M o że być stosow an y zarów n o do badań stanów nieustalonych po załączeniu napięcia zasilania, jak i analizy przy dynamicznej zm ianie stężeń Z ło żo n o ść zjawisk w ystępujących w tych stanach i ich nielin iow ość pow odu ją kon ieczn ość w yodrębnienia o p isó w p oszczególn ych zjawisk w celu ich dalszej analizy.

W toku dalszych prac przew iduje się prow adzenie dw ojakiego rodzaju analiz. Przede w szystkim zostanie podjęta próba opisu dynamiki zjawiska spalania katalitycznego a ponadto próba określenia oddziaływ ania na ten proces w ielkości w pływ ających takich, jak : temperatura p oczątk ow a, w ilgotn ość, napięcie zasilania i inne. Sp od ziew an e jest uzyskanie w ten sp osób zarów n o opisu m atem atycznego pozw alającego na o c en ę stężenia w trakcie stanu nieustalon ego, jak i określenia m ożliw ości korekcji oddziaływ ania w ielk ości w pływ ających.

L IT E R A T U R A

[1] Gall M.: The Si Planar Pelistor: a L o w -P o w er Pelistor Sensor in Si Thin-Film T ehnology, Sensors and A ctuators B ,4 ,1 9 9 1 .

[2] Jakubiec J.: B ieżą ce program ow e odtw arzanie w artości ch w ilow ych dynam icznych p rzeb iegów w ejściow ych nieliniow ych przetw orników pom iarow ych. Z eszyty N au k ow e Pol. Śl. seria: Elektryka z. 111, G liw ice 1988.

[3] Roj J, P okryw ka Z.: Stan ow isk o do badania odp ow ied zi m ostk ów pelistorow ych. Zeszyty N a u k o w e Pol. Śl. seria Elektryka z .1 3 4 , G liw ice 1994.

[4] C om busible G as D etectors. Electric V alue C om pany Ltd, Chelm sford, E ssex, England 1977.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zygm unt Kuśm ierek

W p łyn ęło do Redakcji dnia 15 czerw ca 1993 r.

(9)

M odel m o stk a p e lis to r o w e e o .

61

Abstract

M ost instrum ents designed for m easuring com bustible mixtures concentration signal use pellistor bridge as a sensor. T he response tim e o f output voltage o f the bridge after sw itching on supply voltage is a fe w seco n d s.lt is possible to m ake tim e o f m easurm ent shorter using instantaneous values o f the output voltage to estim ate the measured concentration during the transient state. It is based on the bridge for the transient state. T he presented m odel enables to analyse detailed m echanism o f the bridge activity and separate the m easured concentration signal from the output signal. T he paper presents exem plary output signals obtained from the real bridge output and sim ulations results calculated on the base o f the m odel.

Cytaty

Powiązane dokumenty

W niniejszym przetargu mogą ubiegać się kupujący, którzy do wykonania określonych prac i czynności posiadają niezbędne uprawnienia, wiedzę i

Ustalenie sposobu dokumentowania przez nauczycieli realizacji zadań przedszkola z zakresu kształcenia na odległość. „Dzień bezpiecznego komputera”- przeprowadzenie

16. Wykonawca gwarantuje stałość cen jednostkowych w całym okresie obowiązywania umowy, zgodnie ze szczegółową kalkulacją sporządzoną w oparciu o ceny

Twórcy konstytucji ograniczyli się w swej pracy niejako do wykonania zamówienia jedynie swych partyj, a nie całego społeczeństwa. Każda z partyj pragnęła na swój

- Wykonawca z własnej winy zaprzestanie realizacji zleconych Usług przez okres minimum 5 (pięciu) kolejnych dni i pomimo wezwania nie wznowi Usług w dodatkowym terminie

ną potrzetą Jest uttanowlc- nie fachowego nadać.-u przy prezydiach PRN które cza w iłb y nie tylko nad Inwe­. stycjami szkolnymi, t b wtselklmł robotami

Na podstawie art. Przedmiotem niniejszej umowy jest udzielenie świadczeń zdrowotnych związanych z czynnościami technicznymi z zakresu protetyki przez Przyjmującego

WYNAJMUJĄCY oświadcza, że jest właścicielem lokalu użytkowego położonego w Katowicach przy ul. Wynajmujący oświadcza, że oddaje w najem lokal, o którym mowa w §