Устройство для измерения концентрации горючих газов

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, отличающееся тем,что, с целью повышения точности в широком диапазоне измеряемых концентраций, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор начального фототока, в цепь обратной связи которого введены схема переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному прибору. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК (19) (11) 4 (5 1 ) G 0 1 N 2 5 2 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Анализаторы газов Энергия, 1970, (56) 1. Ваня Я. р жидкостей.M., р.150-165.

2. Авторское

)1 430226, кл. G (прототип). свидетельство СССР

01 N 25/22, 1974

Фие.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О П(РЫТИЙ (21) 3647388/24"25 (22) 29.09.83 (46) 15.02.85. Бюл.Ф 6 (72) M.А.Васильев, Н.С.Сабадаш, В.A ° Càâåëüåâ и Л.Т.Танклевский

° (71) Ленинградский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института противопожарной обороны (53) 543.274(088.8) (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНцЕНТРАцИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связаннь)й с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, о т— л н ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности в широком диапазоне измеряемых концентраций, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор началь" ного фототока, -в цепь обратной связи которого введены схема переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному прибору.

1140019

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что схема переключения выполнена из переключающего устройства, вход которого соединен с выходом компаратора, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации, а два других — с источником опорных напИзобретение относится к газоанализаторам для измерения содержания горючих компонентов в газовых смесях, а более конкретно к термохимическим гаэоанализаторам с фоторегистрацией.

Известен термохимический детектор горючих компонентов, входящих в состав анализируемой смеси, которые окисляются в реакционной ка- 10 мере на поверхности предварительного нагретого катализатора. Изменение температуры, регистрируемое с помощью термочувствительного элемента, обычно включаемого в цепь 15 измерительного моста, пропорционально содержанию горючих газов в смеси.

В качестве подогревателя в устройстве применяется спираль, запитываемая постоянным стабилизированным током(13 .20

Недостатком "этого детектора является невысокая чувствительность, ограничивающая его применение при анализе концентраций горючих газов ниже 10 об.Ъ. 25

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации горючих газов, содержащее помещенный в реакционную камеру катали- 30 тически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор P2) .

Однако высокая точность измерения не может быть достигнута в данном устройстве из-за трудности регистрации малых приращений на фоне большего начального свечения чувствительного элемента. Кроме того, поскольку для обеспечения достаточной чувствительности начальная температура чувствительного элемента выбирается высокой, при анализе концентраций, близких к стехиомет- 45 рическим, эта температура повышается настолько, что может привести к через. мерному перегреву чувствительного элемента и преждевременному выходу его из строя. 50 ряжений, при этом первый выход переключающего устройства подключен к источнику тока, второй — к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий к — вторичному прибору и устройству коммутации, Цель, изобретения — повышение точности измерений в широком диапазоне концентраций горючих газов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для-измерения концентрации горючих газов, содержащем помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор начального фототока, в цепь обратной связи которого введена схема переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному прибору °

Схема переключения может быть выполнена из переключающего устройства, вход которого соединен с выходом компаратора, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации, а два. других — с источником опорных напряжений, при этом первый выход переключающего устройства,подключен к источнику тока, второй - к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий — к вторичному прибору и устройству коммутации.

Предлагаемое устройство создано на принципе фотометрирования нагретого катализатора, излучение которого изменяется в зависимости от концентрации горючих газов в анализируемой смеси. На вторичный прибор поступает сигнал с компенсатора на чального фототока, пропорциональный разности текущего значения фототока

И фототока в отсутствие горючего газа. Схема переключения автоматически осуществляет выбор величины тока питания чувствительного элемента из заранее запомненного дискретного набора при изменении концентрации . горючего компонента. При каждом пе-. реключении на компенсатор с выхода схемы переключения подается сигнал, обеспечивающий установку величины

1140019 компенсирующего тока, равной фото. току, в отсутствие горючего газа в анализируемой смеси при установившемся токе питания чувствительного элемента. Минимальный ток питания выбирается таким образом, чтобы при нем температура чувствительного элемента оставалась выше предельной температуры, при которой происходит гетерогенная химическая реакция окисления на его поверхности.

При использовании в качестве .источников фотометрируемой лучистой энергии катализаторов из окислов металлов, например каталически актив ной -окиси алюминия, можно считать, что излучение нагретого чувствительного элемента соответствует излучению серого тела с интегральным коэффициентом черноты Е= 0,7

0,9.

В соответствии с законом СтефанаБольцмана энергия излучения Е< испускаемая с единицы поверхности серого тела эа единицу времени при температуре Т (К)

Е, Е.5 .q< где 6 — коэффициент Стефана-Больцмана

Фототок 1 пропорционален плотности мощности. поступающего на вход фотоприемника излучения, следовательно,при достаточно широкой области спектральной чувствительности фотоприемника. можно приближенно считать

49 K1T ) (")

Ф где К вЂ” коэффициент пропорциональ1 ности, зависящий от величины Я и чувствительности фотоприемника.

В отсутствие горючего компонента в смеси температуры катализатора

То, а при его наличии за счет происходящей экзотермической реакции т=т +aT.

На вход вторичного прибора поступает токовый сигнал с выхода компенсатора i»„

1„,„=K,(Т,+aT) - K,Т, =

"дТ(2То ьТ)(2Т +2Т ьТ+ьТ ).

Схема переключения осуществляет автоматический подбор тока питания чувствительного элемента, обеспечивающий требуемую чувствительность, при этом на всех диапазонах выпол.—

,няется соотношение дтпл т, следовательно, можно считать еых aT% To (2) Известно, что при термохимическом методе анализа для концентраций горючего компонента ниже нижнего предел.з воспламенения можно в первом приближении считать дТ= С > (3) где C„ — концентрация горючего

5 компонента;

К вЂ” коэффициент пропорциональ2 ности.

После подстановки величины дт (2) получаем

"выл ="Тофиг р (4) ,, 3 где К=К,;К2

Из формулы (4) видно, что имеет место линейная зависимость („„=1(со) и с возрастанием начальной температуры катализатора То чувствительность гаэоанализатора повышается °

Поскольку величина то определяется током питания чувствйтельного элемента, для регулировки чувствительности прибора достаточно менять этот ток.

В реальных устройствах чувствительный элемент изготовляется из материала, излучение которого отличается от излучения серого тела., а фотоприемник может иметь довольно узкую полосу спектральной чувстви» тельности. При этом температурная зависимость izb,„ èìååò более сложный вид, однако ее монотонный харак. тер сохраняется.

Введение компенсации начального фототока совместно с автоматическим выбором температуры чувствительного

35 элемента, обеспечивающим ее уменьшение с ростом концентрации горючего компонента,дает возможность повысить точность измерений газоанализатора в широком диапазоне концентрацией от

40 10 4 до 2 об.Ъ, где выполняется зависимость (3).Экспериментальные исследования подтверждают наличие зависимости, приведенной в формуле (4) .

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения концентрации горючих газов; на фиг.2 — градуировочные зависимости тока выхода с компенсатора isö„ от концентрации горючих газов С прн разных значе50 ниях тока питания спирали J и разном числе диапазонов внутри области анализируемых концентраций.

Устройство состоит из источника тока 1, электрически связанного с каталитически активными чувствительном элементом, представляющим собой спираль 2, находящуюся вместе с катализатором 3 в реакционной камере

60 4, фотоприемника 5, соединенного с вторичным прибором 6 через компенсатор начального фототока 7, в цепь обратной связи которого введена схема переключения 8 тока питания

65 чувствительного элемента, один иэ

1140019 выходов которой подключен к вторичному прибору.

Схема переключения 8 выполнена из переключающего устройства 9, вход которого соединен с выходом компаратора 10, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации 11, а два другихс источником опорных напряжений 12.

Первый выход переключающего устройст ва подключен к источнику тока, вто- 30 рой к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий - к вторичному прибору и устройству коммутации. 15

Устройство работает следующим образом.

Катализатор 3, подогреваемый спиралью 2, запитанной от переключаемого. источника тока 1, находится в реакционной камере 4, через которую постоянно пропускается анализируемая газовая смесь. Ток питания спирали J(определяющий начальную чувствительность устройства, задается управляющим напряжением, поступающим с переключающего устройства

9 на источник тока 1. Увеличение приводит к росту чувствительности и обеспечивает возможность анализа малых концентраций горючих газов.

Фототок i, пропорциональный ин", тенсивности излучения нагретого катализатора, с выхода фотоприемника

5 поступает на один из входов компенсатора начального фототока 7. Величина компенсирующего тока выбирается равной значению i@ при токе питания спирали J и отсутствии в смеси горючих газов. Значение тока вырабатываемого компенсатором, 40

1 также задается сигналом, поступающим с переключающего устройства. Разностный сигнал с выхода компенсатора 7

1,и, =1,Р -1 -регистрируется вторичнйм прйбором б. Очевидно, что при ° 45 концентрации горючего компонента

С =О, сигнал, поступающий на вход вторичного прибора 1 =О.

При появлении определенного уровня концентрации горючего в анализируемой смеси температура катализатора и интенсивность излучения растут за счет проходящей реакции каталитического окисления, при этом величина i»,„ изменяется в соответствии

55 с формулой (4) . На фиг.2 этому рос-. ту соответствует участок 1 (при этом ток питания спирали равен J() .

Однако, возрастание температуры катализатора выше допустимых значений 60 может привести к его преждевременному выходу из строя или изменению каталитических свойств, поэтому вводится ограничение температуры катализатора некоторой величиной у

Т.,„„„. Значение тока с выхода компейсатора, соответствующее этой температуре чувствительного элемента для диапазона 1, равно ьи. так

При достижении концентрацией горючих газов такой величины,.при которой трмпература катализатора становится равной Т „, схема переклю чения 8, дискретно меняющая величину тока источника 1, автоматически снижает ток спирали 2 до значения J (ó÷àcток П, фиг.2); а также устайавливает новое значение компенсирующего тока 1, соответствующее излучению чувствительного элемента в отсутствие горючих газов при токе спирали Jp и выдает сигнал на евторичный прибор, на котором будет осуществляться индикация, соответствующая включению второго диапазона измерения.

При дальнейшем изменении концентрации в результате ряда исследовательных переключений при достижении выходным током величины i устанавливаются значения J 3 >...7я) устанавливалось значение выходного тока компенсатора, равное i 8ö„.

Величина 1,„,, определяет число диапазонов измерения внутри области анализируемых концентраций. Большая величина i „„ позволяет повысить чувствительность прибора при измерении каждого конкретного значения кон" центрации, однако приводит к необходимости частого переключения пределов в случае переменной концентрации горючего компонента (фиг.2).

Удобно выбирать значения igi,x .,„ таким образом, чтобы пределы измерения соседних диапазонов отличались на порядок. В этом случае можно ограничиться одной шкалой вторичного прибора для всей области анализируемых концентраций.

При уменьшении концентрации горю чего компонента анализируемой смеси, приводящем к снижению 1 > до уровня i „, . „„„ по сигналу .с переключающего устройства будет происхо дить переключение токов Юц и 1„„, а индикации на вторичном приборе в сторону меньших номеров (J„ «iK+«N-1) диапазонов.

При выборе 1вы1,(nip и ig>fl.м;„надо обеспечить, чтобы для верхнего диапазона области анализируемых концентраций излучение чувствительного элемента в отсутствие горючих газов было выше порога чувствительности фотоприемника. При этом для сохранения

1140019 8 v.

4фуА pygmy

ВНИИПИ Эакаэ 255/33 Тираж 897 Подписное юфвю вююююееанвюаа вав ° Ф фь

Филиал ППП Патеит", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 линейности характеристики необходимо, чтобы на всех диапазонах выполнялось условие дт) «То)

Работа схемы переключения 8 тока питания спирали сводится к следующему. Поступающий с компенсатора 7

Йа схему переключания сигнала Ц, пропорциональный 16„„ (а следовательно,по (4) и концентрации С ), пройдя через устройство коммутации

11, поступает на компаратор 10.

Устройство коммутации предназна-. чено для кратковременного отключения входа .коммутатора от выхода компенсатора 7 по сигналу с:переключаю- 15 щего устройства 9 после каждого пеи р включения. Время отключения. < выбирается большим, чем время выхода на режим излучения чувствительного эле-, мента при каждом новом значении J> . 7()

При этом на вход компаратора с устр ройства коммутации подается постояное напряжение U, причем U, ° U U z, с целью исключения возможности дальнейшего переключения токов. Все 25 остальное время устройство коммутации осуществляет беспрепятственную передачу сигнала с компенсатора

7 на компаратор 10.

На компараторе происходит сравне- ур ние напряжения Uz с опорными напряжениями 0 „, iUopg снимаемыми с источника ойорных напряжений 12, которые соответствуют токам

ipgg.+gf)(Всли концентрация горю чего компонента изменится таким образом, что окажется U q ъ U О„ (при этом 1щ„„ О,„, или 0ц с По, (при этом

1-эь и 1-выу. г „) вырабатывается сигнал -1 или +1, управляющий переключающим устройством 9, которсге обеспечивает переключение тока. источника 1 и компенсирующего тока в сторону меньших (при - ) или больших (при +1 ) значений. При этом на вторичный прибор с переключающего устройства подается сигнал индикации установившегося диапазона измерений. Исключение представляет случай малых концентраций С, когда при работе на первом диапазоне (J,, i„) U< < Ощ„ .При этом по сигналу

° " +1, поступающему на вход переключающего устройства, с его выхода никаких управляющих напряжений не выдается.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности анализа при высокои чувствительности в широком диапазоне измеряемых концентраций с линейной градуировочной характеристикой. Кроме того, своевременное переключение тока питания спирали увеличивает срок службы чувствительного элемента по сравнению с известным устройством. Устройство повзоляет улучшить технику безопасности технологических процессов, в которых вожможно возникновение взрывоопасных концентраций горючих газов, обеспечить надежный контроль атмосферы, в частности танков нефтеналивных судов.