Способ автоматического контроля горючих газов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PECflYEiËÈÍ (19) 01) А1 (5D 4 С 01 N 27/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3815103/31-25 (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. G 01 N 27/00, 1975, Авторское свидетельство СССР

В 168049, кл. С 01 N 27/14, 1960, (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ .(57) Изобретение относится к гаэоаналитическому приборостроению и может быть использовано при контроле утечек природного газа из магистральных трубопроводов. Целью изобретения является повышение надежности и быстродействия контроля при циклическом поступлении к датчику анализируемой смеси. Реакционная камера установлена в зоне действия изменякпцегося во времени магнитного поля. Канал поступления анализируемой смеси к реакционной камере формируют с помощью торца сердечника электромагнита и пластины иэ намагничивающего материала, установленной перед реакционной камерой. 1 з,п; ф лые

l346996

Изобретение относится к гаэоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля горючих газов в воздухе или ином окислителе с с использованием термохимического датчика, и может быть использовано при контроле утечек природного газа из магистральных газопроводов.

Целью изобретения является расширение воэможностей использования способа за счет повышения надежности, быстродействия и точности контроля при циклическом поступлении к датчику анализируемой смеси. 15

Согласно способу автоматического контроля горючих газов термохимическим датчиком модуляцию интенсивности поступления анализируемой смеси в реакционную камеру датчика производят 2р с помощью циклически изменяющегося во времени магнитного поля, В зону действия поля устанавливают реакционную камеру. Синхронно и противофазно с изменением магнитного поля изменя- 25 ют сечение канала поступления анализируемой смеси к реакционной камере датчика. Для этого в зону действия циклически изменяющегося магнитного поля помещают пластину из упругого магнитного материала, являющуюся подвижной стенкой канала поступления анализируемой. смеси. Способ включает операцию контроля амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика. Для увеличения ресурса работы датчика возможен режим работы, при котором при увеличении кон" центрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяющегося во времени магнитного поля.

Сущность способа заключается в следующем.

40

Реакционную камеру термохимичес- 45 ко го датчика, и з го та влив аемую пр е имущественно из намагничивающегося материала, например иэ железа или

его сплавов, устанавливают в зону действия магнитного поля. Реакцион- - 5О ная камера имеет канал для поступления в нее анализируемой смеси или же стенки ее имеют пористую структуру, способствующую проникновению смеси в реакционную камеру. Возможен вариант способа, в котором реакционной камерой датчика служит свободная полость в торцевой части сердечника электромагнита. Для осуществления контроля на электромагнит подают постоянное напряжение смещения F. u модулирующее напряжение F, Величину постоянного напряжения смещения Е, выбирают соответствующей преимущественно линейному участку зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. Иодулирующее напряжение Е„ выбирают с учетом трех характеризующих его параметров: амплитуды, частоты и формы.

Амплитуду Е выбирают, большей частью, в диапазоне от минимальноro значения, определяемого чувствительностью термохимического датчика, при котором еще технически возможно выделение на фоне собственных шумов датчика переменной составляющей его выходного сигнала, до максимального значения, соответствующего предельно допустимому рабочему напряжению электромагнита. Частоту напряжения

Е„ выбирают преимущественно в диапазоне от минимального значения, определяемого частотой изменения концентрации горючего газа в контролируемой смеси, до максимального значения, соответствующего величине, обратно пропорциональной постоянной времени поступления (подачи) анализируемой смеси в реакционную камерудатчика и ее каталитического окисления (преобразования) чувствительным элементом . Выбор частоты изменения модулирующего напряжения F ниже минимального значения приводит к снижению быстродействия контроля. Выбор частоты Ец выше рекомендуемого максимального значения приводит к снижению чувствительности, а следовательно, и точности контроля, Форму модулирующего напряжения Е выбирают преимущественно импульсной или синусоидальной, как наиболее приемлемые при реализации способа и при обработке сигналов от электромагнита и термомеханического датчика ° Возможен вариант способа, в котором форму

Е„ выбирают трапецеидальной. Это позволяет уменьшить электромагнитные помехи и электрические нагрузки при работе электромагнита, При отрицательной амплитуде модулирующего напряжения F. уменьшается напряженность магнитного поля в зоне установки реакционной камеры. При этом возрастает интенсивность диффузии анализируемой смеси к чувстви1346996 тельному элементу датчика. Большая часть (большее количество) горючего газа смеси успевает окислиться на каталитической поверхности чувстви5 тельного элемента, что приводит к увеличению его температуры и появле" нию положительной амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика. l0

При положительной амплитуде модулирующего напряжения Е„ происходит обратный процесс, При этом появляет. ся "отрицательная" амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика. В случае отсутствия горючего газа в контролируемой смеси изменения температуры чувствительного элемента не происходит и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика практически равна нулю, При увеличении концентрации горючего газа в смеси возрастает и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика. По ее величине определяют концентрацию горючего газа в анализируемой смеси. !

Возможен вариант способа, в котором концентрацию горючего газа опре- 30 деляют раздельно как по амплитуде

"положительного", так и "отрицательного" полупериодов переменной составляющей выходного сигнала датчика, а затем проводят взаимную коррекцию полученных результатов. Это позволяет повысить точность и надежность контроля. Возможен также вариант способа, в котором модулирующее напряжение Е,„ получают путем изменения в 4р определенных пределах напряжения смещения Е, величину которого выбирают за пределами линейного участка зависимости выходиoro сигнала датчика от напряжения питания электромаг- 45 нита. Это позволяет упростить реализацию способа, Для определения типа контролируемого горючего компонента (например, водород или метан присутствуют в смеси), измеряют разность 50 фаз (фазовый сдвиг) между модулирующим напряжением питания электромагнита E и переменной составляющей выходного сигнала датчика И . Причем за начальные моменты отсчета, между которыми измеряется фазовый сдвиг, принимают начало роста амплитуды Е от 0 в сторону положительных значений; начало роста амплитуды переменной составляющей И„от 0 в сторону отрицательных значений, !

Важен вариант способа, в котором одновременно (синхронно) с увеличением концентрации горючего газа в смеси уменьшают переменную (модулирующую) составляющую напряжения питания задействованного электромагнита, Это позволяет стабилизировать общий коэффициент преобразования датчика

К в широком диапазоне изменений коэффициента преобразования чувствительного элемента К„, что способствует повышению точности контроля. Суть . модификации способа состоит в следующем. На задействованный электромагнит подают напряжение смещения Ед.

Дополнительно на катушку электромагнита подают модулирующее (как правило, импульсное или синусоидальное) напряжение питания E величину (амплитуду) которого устанавливают также преимущественно в пределах линейной области зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. Таким образом, на электромагнит воздействуют суммарным напряжением с постоянной составляющей ЕО и переменной (модулирующей) составляющей F., т.е, Е „,=

ЕО + F. . При этом с помощью изменения напряжения питания задействованного электромагнита периодически изменяют (модулируют) интенсивность поступления контролируемой смеси в реакционную камеру датчика, В результате этого изменяется интенсивность каталитического окисления горючего газа чувствительным элементом и на выходе датчика (при наличии горючего газа в контролируемой смеси) появляется переменная составляющая, которую усиливают с помощью усилителя напряжения (тока) и преобразуют с помощью амплитудного детектора в пропорциональное амплитуде переменной составляющей постоянное напряжение

И „, Затем с помощью И, воздейству-. ют на источник (генератор) модулирующего напряжения Е„, уменьшая его амплитуду (и, следовательно, суммарное напряжение питания электромагнита). Таким образом, в процессе контроля при наличии горючего газа в смеси появляющуюся на выходе датчика переменную составляющую выходного сигнала датчика И> (или И4„) частично уменьшают (компенсируют) путем 1346996 уменьшения амплитуды модулирующего напряжения Е„. Это способствует стабилизации общего коэффициента преобразования датчика КА при произвольном изменении коэффициента преобразования чувствительного элемента К„, происходящем, например, при отравлении катализатора чувствительного элемента агрессивными компонентами смеси. Концентрацию горючего газа, согласно приведенной модификации, определяют по увеличению переменной составляющей выходного сигнала датчика (т,е. по увеличению оставшейся нескомпенсированной ее части). Получение модулирующего напряжения Е на фоне постоянной составляющей Е, в приведенной модификации способа реализуется проще путем изменения самого Е с помощью дополнительного регулятора, управляющего задающим генератором модулирующего напряжения.

Пример, В качестве чув ствительного элемента датчика используют термокаталитический элемент, представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 — 1,2 мм из у -окиси алюминия, внутри которого вмонтирована цилиндрическая 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 электрический мост, с помощью которой преобразуют изменение сопротивления спирали в выходной сигнал датчика. Реакционную камеру датчика изготавливают из стали (мар ка Ст-3), преимущественно в виде стакана диаметром 10 мм и длиной 12 мм, В реакционную камеру устанавливают чувствительный элемент, изолировав

его токоподводящие стойки от корпуса камеры, Свободный торец стакана закрывают газопроницаемой металлической стойкой ° Изменяющееся во времени магнитное поле создают с помощью электромагнита постоянного тока, состоящего из цилиндрической катушки, намотанной медным проводом диаметром

f5

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 14 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 упругую пластину, изготовленную в виде круга диаметром, соответствующим диаметру электромагнита. Толщину пластины выбирают из соображений ее механической прочности и гибкости, например

0,2 мм, Усредненный зазор между торцевой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментально преимущественно в диапазоне 0,1-5,0 мм.

Зазор меньше О,I мм требует тщательной технологической подготовки торцевой части электромагнита и пластины.

Зазор больше 5,0 мм требует значительного увеличения напряжения питания электромагнита при реализации способа. Возможен вариант способа, в котором форма пластины повторяет форму торцевой части электромагнита.

Например, если торцевая часть электромагнита имеет конусообразную форму, то и в намагничивающейся пластине формируют такой же конус. При этом увеличивается длина между торцевой частью электромагнита и устанавливаемой пластиной, что способствует повышению эффективности модуляции, а значит снижению требуемого для этого напряжения питания электромагнита, В процессе реализации способа на электромагнит подают постоянное напряжение F. равное 6 В, и модулирующее напряжение F., амплитудное значение которого равно 3 В, частота изменения 0,5 Гц. Переменную составляющую выходного сигнала датчика контролируют с помощью измерительного порогового устройства, уровень срабатывания которого соответствует сигнальной концентрации горючего газа в смеси, Например, для концентрации, равной 2 об,7. метана в воздухе, амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика достигает

10 мВ. Для надежного срабатывания измерительного порогового устройства 1 346996 сив ности поступления анализируемой смеси в реакционную камеру датчика с помощью циклически изменяющегося во времени магнитного поля, в зону действия которого установлена реакционная камера, и контроль при этом амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика, о т л и чающий с я тем, что, сцелью расширения возможностей использования способа за счет повышения точнопеременную составляющую выходного сигнала датчика усиливают с помощью усилителя переменного напряжения примерно в 100 раз. Состав присутствующего в смеси горючего газа определяют путем измерения фазового сдвига (временного запаздывания) между единовременными значениями модулирующего напряжения Е„ и переменной составляющей выходного сигнала датчика 1р

И„. Такие измерения проводят с помощью электронно-счетного частотомера

ЧЗ-32. При этом для частоты модуляции, равной 0,5 Гц, фазовый сдвиг, например, для водорода составляет 15

0,63 рад (или 36 ), а для метана—

2,5 рад (или 143 ). .Разности фаз для интересующих горючих газов определяют предварительно для каждого из них путем подачи к датчику эталонных 2р газовых смесей, содержащих интересующие компоненты. сти контроля, синхронно и противофазно с изменением магнитного поля изменяют сечение канала поступления анализируемой массы к реакционной камере датчика путем помещения в зону действия циклически изменяющегося магнитного поля пластины и упругого магнитного материала, являющейся подвижной стенкой канала поступления анализируемой смеси.

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что при увеличении концентрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяющегося во времени магнитного поля °

Формула изобретения

1. Способ автоматического контроля горючих газов термохимическим датчиком, включающий модуляцию интенСоставитель В. Екаев

Редактор И. Николайчук Техред М. Хода нич

Корректор Г. Решетник

Заказ 5115/42 Тираж 775

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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