Способ автоматического контроля концентрации горючих газов

 

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может использоваться для контроля утечек природного газа из трубопроводов . Цель изобретения - повышение точности контроля и снижение трудоемкости настройки и калибровки. Канал поступления анализируемой смеси формируют с помощью торца сердечника электромагнита и намагничивающейся пластины, установленной перед реакционной камерой. При увеличении концентрации горючего газа увеличивают напряжение питания электромагнита , которое служит мерой концентраций . 1 3. п. ф-лы. i (Л оо 4 О5 СО со ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„80„„1346995

А1 (511 4 С О1 N 27/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;;

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ у (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3815102/31-25, (22) 05.12.84 (46) 23.10.87. Бюл. У 39 (71) Институт технической теплофизики АН УССР (72) А. С. Бурдейный и А. Н. Щербань (53) 543.274(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 596870, кл. 0 01 N 27/00, 1975, Авторское свидетельство СССР

У 212609, кл. С 01 N 27/14, 1962. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРО ЛЯ .КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ (57) Изобретение относится к гаэо. аналитическому приборостроению и может использоваться для контроля утечек природного газа из трубопроводов. Цель изобретения — повьппение точности контроля и снижение трудоемкости настройки и калибровки. Канал поступления анапизируемой смеси формируют с помощью торца сердечника электромагнита и намагничивающейся пластины, установленной перед реакционной камерой. При увеличении концентрации горючего газа увеличивают напряжение питания электромагнита, которое служит мерой концентраций. 1 з.п. ф-лы, l346995

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля концентрации взрывоопасных горючих газов тер-, мохимическим датчиком, и может быть использовано для контроля утечек природного газа из магистральных газопроводов.

Целью изобретения является снижение эксплуатационных затрат на дополнительную настройку и калибровку датчика в связи с периодической заменой выработавшего положенный ресурс чувствительного элемента датчика и повышение точности контроля благодаря стабилизации общего коэффи1 циента преобразования концентрации горючего газа в выходной (измерительный) сигнал датчика.

Способ автоматического контроля концентрации горючих газов термохимическим датчиком заключается в изменении режима работы датчика при изменении концентрации горючего газа в анализируемой смеси и определении концентрации горючего rasa по величине изменившегося параметра режима работы, При увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих газов термохимическим датчиком путем синхронного увеличения величины магнитного поля, воздействующего на датчик, и (или) уменьшением сечения канала поступления анализируемой смеси к датчику. Возможно путем увеличения объема реакционной камеры или уменьшения ее газопроницаемости увеличить время запаздывания поступления анализируемой смеси в реакционную камеру до

Появления переменной составляющей магнитного поля, При этом концентрацию горючего rasa в смеси определяют по изменению частоты или по отношению длительностей полупериодов переменной составляющей магнитного поля, Способ осуществляют следующим об- . разом, Реакционную камеру датчика с находящимся в нем чувствительным элементом устанавливают преимущественно в торцовую часть сердечника цилиндрического электромагнита постоянного тока. Для усиления действия магнитного поля электромагнита на интенсивность диффузии анализируемой смеси в реакционной камере датчика перед торцовой частью сердечника электромагнита (а следовательно, и перед реакционной камерой) устанав3 > ливают пластину, изготовленную преимущественно из намагничивающегося материала, например из стали. Диаметр пластины соответствует диаметру элекэлектромагнита. Толщину пластины выбирают исходя из ее механической прочности и малого веса. Чувствительный элемент датчика разогревают (с помощью пропускаемого через него тока) до температуры, при которой контролируемый горючий газ каталитически окисляется на его поверхности.

Выделяемое при этом тепло (т.е. повышение температуры чувствительного элемента) преобразуют в выходной сигнал датчика. К датчику подают эталонную газовую смесь с заданной концентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону р5 измеряемых концентраций. Затем экспериментально снимают зависимость изменения выходного сигнала датчика HA от напряжения питания электромагнита Е . Выход датчика при этом электрически не связан с электромагнитом.

После этого на электромагнит подают постоянное напряжение питания (напряжение смещения) Ед, соответствующее (согласно снятой зависимости) максимальному выходному сигналу датчика.

Кроме того, выходной сигнал датчика дополнительно усиливают с помощью усилителя напряжения (тока) до еди- ниц-десятков вольт (точное значение

40 определяется при настройке и калибровке датчика) и также подают на электромагнит °

Таким образом, усиленное выходное напряжение (ток) датчика суммируют на электромагните с напряжением сме45 щения Е .

При наличии горючего газа в смеси происходит его окисление на чувствительном элементе датчика ° Появив шийся при этом вых.одной сигнал датчика подают на электромагнит, увеличивая, таким образом, его суммарное напряжение питания. Это, в свою очередь, приводит к частичному уменьше55 нию (компенсации) выходног и, следовательно, напряжения питания электромагнита. L aêèì образом, про" исходит стабилизация общего коэффициента передачи схемы (датчика), Кон1346995

Таким образом, общий коэффициент преобразования термохимического датчика, определяемый как отношение изменения напряжения питания электромагнита к соответствующему изменению концентрации горючего газа, поддерживают практически постоянным. Если центрацию горючего газа в смеси определяют по изменению (увеличению) напряжения питания электромагнита, При этом минимальное напряжение питания

5 электромагнита, соответствующее отсутствию горючего газа в смеси, равно напряжению смещения Е . Максимальное значение напряжения электро- . магнита, соответствующее контролируемой концентрации, ограничено предель но допустимым напряжением питания электромагнита.

Проверку работоспособности способа, т.е. наличия стабилизации обшего коэффициента преобразования термохимического датчика (его независимости от изменения коэффициента преобразования чувствительного элемента), осуществляют следующим образом. К датчику подают эталонную газовую смесь с постоянной концентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону измеряемых концентраций, Через чувствительный элемент датчика пропускают постоянный ток, соответствующий внешнедиффузионной области термокаталитического окисления горючего газа, в которой коэффициент преобразования чувствительного элемента практически не зависит от его температуры разогрева.

Усиленный выходной сигнал датчика суммируют с напряжением смещения Е ., подаваемым на электромагнит. Затем последовательно с чувствительным элементом датчика вводят дополнитель. ное постоянное сопротивление, имитирующее увеличение коэффициента преобразования чувствительного элемента и равное 10 — 207. от величины сопротивления разогретого чувстви— тельного элемента. При этом соответственно увеличивается выходной сигнал датчика. Его также усиливают и cyM.—

45 мируют с напряжением смещения Е, подаваемым на электромагнит, т. е. увеличивают напряжение питания электромагнита. Это приводит к уменьшению выходного сигнала датчика и возвращению его практически к исходному значению. коэффициент усиления дополнительного усилителя выбирают достаточно большим, например равным тысячам-десяткам тысяч (точное значение коэффициента зависит от конкретного исполнения датчика и устанавливается при настройке и калибровке), то диапазон изменения напряжения питания электромагнита (с учетом воздействия на электромагнит усиленного выходного сигнала датчика) выходит за линейную область, определяемую снятой зависимостью, т.е. благодаря значительному усилению выходного сигнала датчик переводят в релаксационный режим работы. В этом случае наряду с подаваемым напряжением смещения Е на задействованном электромагните появляется модулирующее, как правило, импульсное напряжение, амплитуда которого определяется предельными возможностями усилителя и электромагнита, а частота изменения которого про. порциональна величине контролируемой концентрации, Таким образом, концентрацию горючего газа в данном случае определяют преимущественно по изменению частоты или скважности появляющегося в результате релаксационного процесса модулирующего напряжения питания электромагнита.

Перевод датчика в релаксационный режим работы позволяет упростить согласование выходного сигнала датчика с широко. используемой для его обработки микро-3ВМ повысить точность контроля в связи с тем, что в релаксационном режиме работы датчика проще и полнее осуществляется компенсация .многих возмущающих факторов, например таких, как температура и давление окружающей среды, а также ухоц "нуля" измерительной схемы датчика, без дополнительных затрат расширить диапазон контролируемых концентраций ° Все это способствует, снижению эксплуатационных затрат при использовании слособа.

Способ может быть использован, например, в исследовательских целях для определения коэффициента диффузии или других параметров горючих компонентов в воздухе. Для этого за счет увеличения размеров реакционной камеры или уменьшения ее газопроницаемости увеличивают транспортное запаздывание и (или) постоянную времени поступления анализируемой смеси

134á995 в реакционную камеру датчика до появления на задействованном электромагните переменной (модулирующей) составляющей напряжения его питания и, соответственно, магнитного поля.

Концентрацию горючего газа в смеси определяют в этом случае по изменению частоты,или по соотношению длительностей полупериодов переменной составляющей магнитного поля, 10

Пример. В качестве чувствительного элементА датчика использу, ют электрокаталитический элемент, представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 — 1,2 мм из -окиси .алюминия, Внутри его вмонтирована цйлиндрическая спираль из 18 витков платиновой проволоки диаметром

0,03 мм, являющаяся одновременно нагревателем чувствительного элемента до его рабочей температуры и температурозависимым сопротивлением (терморезистором), преобразующим увеличение температуры чувствительного элемента от окисления на нем горючего газа в прирост электрического сопротивления спирали. Чувствительный элемент включают в измерительную схему, например в дифференциальный элек- 30 трический мост, с помощью которой преобразуют изменение сопротивления спирали в выходной сигнал датчика. Реакционную камеру датчика изготавливают из стали, преимущественно в виде стакана

35 диаметром 10 мм и длиной 12 мм. В реакционную камеру устанавливают чувствительный элемент, изолировав его токоподводящие стойки от корпуса камеры. Свободный торец стакана закры- 40 вают газопроницаемой металлической сеткой. Изменяющееся магнитное поле создают с помощью электромагнита по— стоянного тока, состоящего из цилиндрической катушки, намотанной медным 45 проводом диаметром 0,21 мм и содержащей 2000 витков. Катушку устанавливают в стальной магнитопровод, выполненный в виде стакана диаметром

55 мм и длиной 30 мм с концентрически расположенным в нем стальным сердечником диаметром !4 мм и длиной

30 мм. Реакционную камеру датчика устанавливают в углубление в торце сердечника электромагнита, со стороны, свободной от магнитопровода. С этой же стороны для усиления действия магнитного поля устанавливают стальную пластину, изготовленную в виде круга диаметром, соответствующим диаметру электромагнита.- Толщину пластины выбирают равной 0,1 — 0,2 мм, исходя иэ ее механической прочности и малого веса (массы). Усредненный зазор между торцевой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментально, преимущественно в диапазоне О,! - 5,0 мм. Зазор меньше

0,1 мм требует тщательной технологической подгонки торцевой части электромагнита и пластины. Зазор больше

5,0 мм требует значительного (превышающего предельно допустимое значение) увеличения напряжения питания электромагнита при реализации способа.

В процессе контроля на электромагнит подают постоянное напряжение смещения F.. Величину напряжения смещения Е, устанавливают соответствующей началу линейного участка экспериментально полученной зависимости изменения выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита при отсутствии электрической связи между выходом датчика и катушкой электромагнита. В данном случае Е равно 2 В. Выходной сигнал датчика, достигающий 50 мВ при концентрации горючего газа (например, метана), равной 1 об.7,. усиливают примерно в

100 — 200 раз с помощью усилителя напряжения и суммируют с Е, на задействованном электромагните. Точное значение коэффициента усиления дополнительного усилителя выставляют экспериментально при настройке и калибровке датчика, подавая к нему эталонную смесь с концентрацией горючего газа, соответствующей верхней границе диапазона измерения (в данном случае 2 об,X), Формула изобретения

1, Способ автоматического контроля концентрации горючих газов термохимиче ским датчиком, включающий изменение режима работы датчика при увеличении концентрации горючего газа в анализируемой смеси и определение концентрации горючего газа по величине изменившегося параметра, о т л и — . ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности контроля, при увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих

134699

2. Способпоп. I отличаю шийся тем, что путем увеличения объема реакционной камеры или

Составитель В. Екаев

Редактор И, Николайчук Техред М.Ходанич корректор Г. Решетник

Заказ 5115/42 Тираж 775 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 газов термохимическим датчиком путем синхронного увеличения величины магнитного поля, воздействующего на датчик, и (или) уменьшения сечения канала поступления анализируемой смеси 5 с датчику. уменьшения ее газопроницаемости увеличивают время запаздывания поступления анализируемой смеси в реакционную камеру до появления переменной составляющей магнитного поля, а концентрацию горючего газа в смеси определяют по изменению частоты или по отношению длительностей полупериодов переменной составляющей магнитного поля.