Способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде

 

Изобретение относится к области анализа газовых сред. Сущность изобретения: термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока. Предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_0-1 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁, где τ₀ - момент времени до начала подачи импульса электрического тока, τ₁ - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности термокаталитического элемента, а также значение сопротивления Rτ_1-2 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₁ до τ₂, где τ₂ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока. Определяют постоянный коэффициент K = Rτ_1-2/Rτ_0-1. После этого измеряют текущее значение сопротивления Rτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₁ и текущее значение сопротивления Rτ₂ термокаталитического элемента в момент времени τ₂, определяют значение сопротивления R⁰τ₂ = KRτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₂ при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют ΔRτ₂ = Rτ₂-R⁰τ₂. По величине ΔRτ₂ судят о значении концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Технический результат состоит в обеспечении возможности определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред с компонентами, значительно отличающимися по молекулярной массе, а также в увеличении срока службы и уменьшении энергопотребления. 3 ил.

Изобретение относится к области анализа газовых сред и может быть использовано для определения концентрации в кислородосодержащей среде, например, в рабочих помещениях нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, предприятий тепловой энергетики, химических заводов и др. для предотвращения возникновения ситуаций, опасных в отношении возможности взрыва.

Известен способ определения концентрации горючих газов в килсородосодержащей среде, заключающийся в измерении теплового эффекта реакции окисления горючего компонента на поверхности каталитически активного чувствительного элемента (ЧЭ), соединенного последовательно с пассивным компенсационным элементом, идентичным ЧЭ по теплофизическим параметрам; регулировкой тока питания в последовательной цепи чувствительного и компенсационного элементов поддерживают температуру компенсационного элемента на постоянном уровне, см. авт.св. СССР N 1286985 от 8.02.1985 по кл. G 01 N 27/16.

В данном устройстве непрерывно работают оба элемента, что обусловливает большое энергопотребление. Наличие механической модуляции света, излучаемого ЧЭ и компенсационным элементом, посредством электродвигателя с обтюратором, существенно усложняет способ, приводит к дополнительному расходу электроэнергии и снижает надежность конструкции, служащей для реализации способа; кроме того, данный способ требует постоянной продувки реакционной камеры, а также светоизоляции.

Известен также способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру, содержащую анализируемую газовую смесь, и подают на него импульсы тока, нагревая его до заданной температуры и уменьшая длительность импульсов до установления начального значения температуры; цикл измерения производят при подаче одного импульса, причем нагрев ведут в термоударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора, а после нагревательного импульса на термокаталитический элемент дополнительно подают зондирующий импульс, по амплитуде и длительности меньший, чем нагревательный, регистрируют изменение амплитуды напряжения на термокаталитическом элементе во время подачи зондирующего импульса, многократно повторяют цикл измерения и по результатам совокупных измерений судят о концентрации компонентов смеси, см. авт.св. СССР N 1711061 от 10.03.1989 по кл. G 01 N 27/16.

Этот способ, принятый за прототип настоящего изобретения, более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом по авт.св. СССР N 1286985. Однако весьма серьезным недостатком способа-прототипа является подача нагревательных импульсов в термоударном режиме, что ведет к ускоренному выходу термокаталитических элементов (ТКЭ) из строя; кроме того, термоударный режим нагрева ТКЭ обусловливает, практически, мгновенное образование нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, что приводит к значительному изменению крутизны градуировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в процентах от нижнего концентрационного предела распространения пламени (% НКПРП), при различной молекулярной массе анализируемых горючих газов. Этот разброс значений крутизны указанных характеристик можно объяснить тем, что в нагретом газовом пограничном слое вокруг ТКЭ происходит образование каталитически активных веществ, являющихся продуктом разложения анализируемого горючего газа; эти вещества обусловливают быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, что приводит к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ. Таким образом, способ можно использовать для определения % НКПРП только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше в качестве прототипа способу по авт. св. СССР N 1711061, но и всем другим известным способам определения концентраций горючих газов в кислородосодержащей среде с использованием ТКЭ, см. например, В.Н. Тарасевич, Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. - Киев: Наукова думка, 1988, с. 209-210. Как видно из рис. 63 на с. 210 (копия прилагается), имеет место весьма большой разброс крутизны статических характеристик выходного сигнала термокаталитического элемента в случае анализа газов с различной молекулярной массой. Все современные газоанализаторы имеют градуировку по одному определенному горючему газу (как правило, метану). Для определения концентраций остальных горючих газов необходимо менять чувствительность газоанализатора или осуществлять пересчет. Определение интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, с помощью как способа-прототипа, так и других известных способов, невозможно. Кроме того, к числу недостатков способа-прототипа относится то обстоятельство, что для его реализации необходимо использовать не менее двух ТКЭ, работающих в непрерывном режиме питания; это не позволяет создавать портативные приборы с длительным временем непрерывной работы. Например, время непрерывной работы газоанализатора СГГ-4М (Россия) при габаритных размерах 150х55х188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78х142х26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такого способа определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечил бы возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе; кроме того, решается задача увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что должно увеличить время непрерывной работы приборов, реализующих способ.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающемся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_0-1 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁, где τ₀ - момент времени до начала подачи импульса электрического тока, τ₁ - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности термокаталитического элемента, а также значение сопротивления Rτ_1-2 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₁ до τ₂, где τ₂ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока, затем определяют постоянный коэффициент после этого измеряют текущее значение сопротивления Rτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₁ и текущее значение сопротивления Rτ₂ термокаталитического элемента в момент времени τ₂, определяют значение сопротивления R⁰τ₂ = K/Rτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₂ при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют ΔRτ₂ = Rτ₂-R⁰τ₂ и по величине ΔRτ₂ судят о значении концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличий заявленного изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения) обусловливает важные новые свойства объекта изобретения: - обеспечение возможности определения интегральной взрывоопасности газовых сред, включающих несколько компонентов, значительно отличающихся по своей молекулярной массе; - исключение необходимости осуществления нагрева ТКЭ в ударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора и продление тем самым срока службы ТКЭ; - возможность использования только одного ТКЭ и исключение необходимости непрерывного режима питания, что позволяет уменьшить энергопотребление и увеличить время непрерывной работы приборов, реализующих способ.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг. 1 - схема, поясняющая реализацию способа; на фиг. 2 - временная диаграмма, иллюстрирующая способ; на фиг. 3 - статические характеристики выходного сигнала ТКЭ, полученные в результате реализации способа.

Термокаталитический элемент 1 помещен в измерительную камеру 2, выполненную в конкретном примере в виде сетчатого корпуса. В камере 2 та же концентрация газов, что и в окружающей среде. На ТКЭ 1 подаются импульсы электрического тока от генератора 3 импульсов тока. Генератор 3 управляется контроллером 4, обеспечивающим подачу импульсов тока на ТКЭ в заданные моменты времени. Величина импульсов тока задается генератором 3. С ТКЭ на вход контроллера поступают электрические сигналы, содержащие информацию о текущем значении сопротивления ТКЭ. Контроллер 4 снабжен дисплеем 5.

Способ реализуют следующим образом. Предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_0-1 ТКЭ в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁ (см. фиг. 2). При этом τ₀ - момент времени до начала подачи импульса электрического тока на ТКЭ, τ₁ - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности ТКЭ. Также предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_1-2 ТКЭ в момент времен в интервале от τ₁ до τ₂, где τ₂ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, в этот момент прекращают подачу импульса электрического тока на ТКЭ. Определив предварительно Rτ_0-1 и Rτ_1-2, определяют постоянный коэффициент этот коэффициент определяют однократно, он отражает свойства конкретного ТКЭ: омическое сопротивление и геометрические размеры.

При настройке контроллера в него вводят значения этого коэффициента, а также значения τ₁ и τ₂. Кроме того, задают - момент времени, соответствующий началу следующего импульса.

Далее определяют текущее значение сопротивления Rτ_1/ ТКЭ в момент времени τ₁, а также текущее значение сопротивления Rτ₂ ТКЭ в момент времени τ₂. После этого определяют значение сопротивления Rτ⁰₂ = K·Rτ₁ ТКЭ в момент времени τ₂, которое соответствует отсутствию в кислородосодержащей среде горючих газов и ΔRτ₂= Rτ₂-Rτ⁰₂. Эти вычисления осуществляются в контроллере 4. Величина ΔRτ₂ прямо пропорциональна интегральной концентрации C горючих газов в камере 1 и, соответственно, в анализируемой окружающей среде. Значение C отображается на дисплее 5.

Поскольку при реализации заявленного способа нагрев ТКЭ производят до возникновения нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, исключается разброс крутизны градуировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в % НКПРП при различной молекулярной массе анализируемых газов (фиг. 3). Это объясняется тем, что исключается образование каталитически активных веществ, являющихся продуктами разложения анализируемого газа, и обусловливаемое этим быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, приводящее к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ.

Поскольку значение Rτ₁ не зависит от концентрации горючих газов, исключается необходимость использования второго (эталонного) ТКЭ. Это же обстоятельство позволяет исключить дрейф нулевого значения сигнала от ТКЭ.

Так как начальное значение импульса тока равно нулю, в интервале между импульсами ток также равен нулю, и питание отключено. Благодаря этому, а также в связи с использованием только одного ТКЭ, энергопотребление значительно уменьшается, что позволяет создавать на базе данного способа портативные приборы с большим временем непрерывной работы.

Для реализации заявленного способа используется обычная несложная элементарная база и стандартное сборочное оборудование, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, отличающийся тем, что предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_0-1 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁, где τ₀ - момент времени до начала подачи импульса электрического тока, τ₁ - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности термокаталитического элемента, а также значение сопротивления Rτ_1-2 термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ₁ до τ₂, где τ₂ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока, затем определяют постоянный коэффициент после этого измеряют текущее значение сопротивления Rτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₁ и текущее значение сопротивления Rτ₂ термокаталитического элемента в момент времени τ₂, определяют значение сопротивления R⁰τ₂ = KRτ₁ термокаталитического элемента в момент времени τ₂ при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют ΔRτ₂ = Rτ₂-R⁰τ₂ и по величине ΔRτ₂ судят о значении концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3