Устройство для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде

 

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. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде путем обеспечения поддержания величины импульса тока генератора в заданных пределах, а также в обеспечении возможности подачи на термокаталитический элемент импульсов различной конфигурации и тем самым определения концентрации индивидуальных веществ с различными физико-химическими свойствами. Сущность: в устройстве для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде выход термокаталитического элемента соединен с первым входом контроллера, первый выход которого соединен с блоком отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом термокаталитического элемента. Выход генератора соединен со входом термокаталитического элемента через резистор, сопротивление R_Э которого находится в пределах от 0,5 до 1000 Ом, и со вторым входом контроллера. 1 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.

Известно устройство для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающее каталитически активный чувствительный элемент (ЧЭ), соединенный 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 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, приводит к дополнительному расходу электроэнергии и снижает надежность конструкции; кроме того, требуется постоянная продувка реакционной камеры, а также необходима светоизоляция.

Известно также устройство определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающее термокаталитический элемент (ТКЭ), помещенный в измерительную камеру, содержащую анализируемую газовую смесь; на ТКЭ подают импульсы тока, нагревая его до заданной температуры и уменьшая длительность импульсов до установления начального значения температуры (см. авт. св. СССР 1711061 от 10.03.1989 по кл. G 01 N 27/16).

Этот устройство является более простым и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении с устройством по авт. св. СССР 1286985. Однако весьма серьезным его недостатком является подача нагревательных импульсов в термоударном режиме, что ведет к ускоренному выходу 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, устройство можно использовать для определения % НКПРП только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только устройству по авт. св. СССР 1711061, но и всем другим известным устройствам определения концентраций горючих газов в кислородосодержащей среде с использованием ТКЭ, см. например, В.Н. Тарасович, Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. - Киев: Наукова думка, 1988, с. 209-210. Как видно из рис.63 на с. 210, 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 известных устройств невозможно. Кроме того, к числу недостатков устройства по авт. св. СССР 1711061 от 10.03.1989 относится то обстоятельство, что оно содержит 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.

Известно устройство для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающее термокаталитический элемент, помещенный в измерительной камере, генератор, контроллер и блок отображения информации, причем выход термокаталитического элемента соединен с первым выходом контроллера, первый выход которого соединен с блоком отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом термокаталитического элемента, см., например, патент Российской Федерации 2156972.

Это устройство принято за прототип настоящего изобретения. Оно обеспечивает возможность определения интегральной взрывоопасности газовых сред, включающих несколько компонентов, значительно отличающихся по своей молекулярной массе, исключает необходимость осуществления нагрева ТКЭ в ударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора и позволяет продлить тем самым срок службы ТКЭ. В устройстве использован только один ТКЭ, что исключает необходимость непрерывного режима питания. Однако недостатком прототипа является отсутствие поддержания величины импульса тока, вырабатываемого генератором, с требуемой точностью, что обусловливает погрешность измерения. Импульс тока, создаваемый генератором, подается на ТКЭ, который в процессе измерения меняет свое сопротивление, что приводит к появлению помех и искажению импульса тока.

Кроме того, недостатком устройства, принятого за прототип, является невозможность создания на ТКЭ импульсов тока различной конфигурации, что необходимо для определения концентрации индивидуальных веществ с различными физико-химическими характеристиками, например оксида углерода и метана или оксида углерода и водорода и др.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения точности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде путем обеспечения поддержания величины импульса тока генератора в заданных пределах, а также обеспечение возможности подачи на ТКЭ импульсов различной конфигурации и тем самым определения концентрации индивидуальных веществ с различными физико-химическими свойствами.

Эта задача решается за счет того, что в устройстве для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающем термокаталитический элемент, размещенный в измерительной камере, генератор, контроллер и блок отображения информации, причем выход термокаталитического элемента соединен с первым входом контроллера, первый выход которого соединен с блоком отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом термокаталитического элемента, согласно изобретению выход генератора соединен со входом термокаталитического элемента через резистор, сопротивление R_э которого находится в пределах от 0,5 до 1000 Ом, при этом выход генератора дополнительно соединен со вторым входом контроллера.

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

Реализация отличий заявленного изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения) обусловливает важные новые свойства объекта изобретения: - поддержание величины импульса тока с точностью ± 0,05 мА и тем самым снижение величины погрешности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде; - возможность создания на ТКЭ импульсов тока различной конфигурации, что позволяет одновременно определять в кислородосодержащей среде концентрации горючих веществ с различными физико-химическими свойствами.

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

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема заявленного устройства.

Устройство включает термокаталитический элемент 1, который помещен в измерительную камеру 2, выполненную в конкретном примере в виде сетчатого корпуса. В камере такая же концентрация газов, что и в окружающей среде. Генератор 3 в конкретном примере выполнен на микросхемах МАХ757, AD8031 и транзисторе 2ТС622. Импульсы электрического тока подаются от генератора 3 на ТКЭ 1. Контроллер 4, в конкретном примере 12-разрядный ADUC812BS, служит для управления генератором 3. Блок 5 отображения информации представляет собой дисплей L1672. Выход ТКЭ 1 соединен с первым входом контроллера 4, первый выход которого соединен с блоком 5 отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом ТКЭ; выход генератора 3 соединен со входом ТКЭ 1 через резистор 6, сопротивление R_э которого находится в пределах от 0,5 до 1000 Ом выход генератора 3 дополнительно соединен со вторым входом контроллера 4.

Устройство работает следующим образом. В качестве примера рассматривается одновременное определение концентраций оксида углерода и метана в кислородосодержащей среде.

На ТКЭ 1 подают импульс электрического тока, например, пилообразной формы. Предварительно измеряют значение сопротивления Rτ_0-1 ТКЭ в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁.. 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 R_τ1-2 ТКЭ в момент времени 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,τ₂ и τ₃, где τ₃ момент времени выключения импульса тока, причем в моменты времени τ₂ и τ₃ определяют концентрации оксида углерода и метана соответственно. Кроме того, задают - момент времени, соответствующий началу следующего импульса.

Далее определяют текущее значение сопротивления R_τ1 ТКЭ в момент времени τ₁, а также текущее значение сопротивления R_τ2 ТКЭ в момент времени τ₂ и значение сопротивления R_τ3 в момент времени τ₃. После этого определяют значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂, которое соответствует отсутствию в кислородосодержащей среде оксида углерода и Эти вычисления осуществляются в контроллере 4. Величина ΔRτ₂ прямо пропорциональна концентрации С оксида углерода в камере 1 и, соответственно, в анализируемой окружающей среде. Значение С отображается на дисплее 5. Затем определяют значение сопротивления R₃ = K₂•Rτ₁ ТКЭ в момент времени τ₃, которое соответствует отсутствию в кислородосодержащей среде метана и Эти вычисления осуществляются в контроллере 4. Величина ΔR_τ3 прямо пропорциональна концентрации С метана в камере 1 и, соответственно, в анализируемой окружающей среде. Значение С отображается на дисплее 5.

В случае изменения температуры кислородосодержащей среды в широких пределах (от - 70^oС до + 70^oС) возникает необходимость компенсации влияния этого изменения на значение коэффициента К. Для этого экспериментально определяют ряд значений К при различных температурах в указанном выше диапазоне. В конкретном примере определяли значения коэффициента К при температурах: -70^oС, -55^oС, -20^oС, 0^oС, +20^oС, +45^oС, +70^oС. Затем аппроксимировали полученные значения коэффициента К прямой и определяли поправочный коэффициент β, равный величине тангенса угла наклона этой прямой, затем определяли значение R^0t1-2_τ2 = [K^tc+(R^tc_τ1-R^t1-2_τ1)β]R^t1-2_τ1, где R^0t1-2_τ2 - расчетное значения сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ в диапазоне температур от - 70 ^oС до + 70 ^oС; K^tc - значение коэффициента К при выбранной постоянной температуре из диапазона от - 70 ^oС до + 70 ^oС; R^tc_τ1/ - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ при выбранной постоянной температуре диапазона от - 70^oС до + 70^oС; R^t1-2_τ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ в диапазоне температур от - 70^oС до + 70^oС;
β - поправочный коэффициент.

Далее определяют значение
ΔR^t1-2_τ2 = ΔR^t1-2_τ2-ΔR^0t1-2_τ2,
где ΔR^t1-2_τ2 - величина приращения сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ вследствие реакции окисления;
R^t1-2_τ2 - измеренное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂, и по величине ΔR^t1-2_τ2 судят о концентрации оксида углерода в кислородосодержащей среде при температурах, изменяющихся от -70 ^oС до + 70 ^oС.

Аналогично определяют ΔR^t1-3_τ3 и по величине приращения сопротивления судят о концентрации метана в кислородосодержащей среде при температурах, изменяющихся от -70^oС до + 70^oС.

П-образный импульс тока, используемый в прототипе, не позволяет в процессе измерения определить вещества, различные по своим физико-химическим свойствам ввиду быстрого изменения сопротивления на начальном участке переходной характеристики.

Заявляемое устройство позволяет за один цикл измерения с помощью контроллера определять одновременно концентрации веществ, отличающихся по своим физико-химическим свойства, а также суммарную взрывоопасность. Задача решается аналогичным образом при использовании импульсов тока экспоненциальной, ступенчатой и других форм.

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

Формула изобретения

Устройство для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающее термокаталитический элемент, размещенный в измерительной камере, генератор, контроллер и блок отображения информации, причем выход термокаталитического элемента соединен с первым входом контроллера, первый выход которого соединен с блоком отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом термокаталитического элемента, отличающееся тем, что выход генератора соединен со входом термокаталитического элемента через резистор, сопротивление которого R_э находится в пределах от 0,5 до 1000 Ом, при этом выход генератора дополнительно соединен со вторым входом контроллера.

РИСУНКИ

Рисунок 1