Динамический способ анализа горючих газов и паров

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает измерение выходного сигнала чувствительного элемента, помещенного в реакционную камеру в период теплового переходного процесса. В способе циклический процесс преобразуют в псевдонепрерывный, для чего тепловой переходный процесс формируют так, чтобы соблюдалось постоянство значения теплообменного критериального числа БИО, а его значение находилось в пределах 0,001-0,1. После завершения процесса нагрев сразу прекращают. Очередной цикл нагрева возобновляют после установления в реакционной камере концентрационного равновесия с окружающей средой. Технический результат - уменьшение энергопотребления и длительности измерительного цикла микроэлектронного газочувствительного элемента. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способу анализа газовых сред, основанном на использовании термокаталитического и адсорбционно-полупроводникового принципов или их сочетаний. Область применения - газоаналитические переносные приборы, стационарная аппаратура, системы контроля и измерения горючих газов и паров в воздухе на предприятиях горнодобывающей, газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности, а также в энергетике, коммунальном хозяйстве и транспорте.

Термокаталитический и адсорбционно-полупроводниковый принципы анализа газовых сред обладают рядом преимуществ, определивших их широкое применение. Во-первых, это простота конструкции первичных преобразователей (чувствительных элементов). Во-вторых, возможность реализации диффузионного подвода анализируемой смеси и отказ от использования побудителей. В-третьих, возможность изготовлении чувствительных элементов в микроэлектронном исполнении, со всеми вытекающими отсюда преимуществами; предельно возможным уменьшением массогабаритных параметров, повышением воспроизводимости характеристик, снижением себестоимости и энергопотребления.

Известны многочисленные примеры разработки и применения газочувствительных микроэлектронных элементов [1]. Однако, по-прежнему, сохраняются, а иногда проявляются даже в большей степени, недостатки, присущие чувствительным элементам, изготовляемым по существующим объемным технологиям. В частности, ухудшается стабильность работы во времени, увеличиваются тепловая постоянная времени, время отклика, время восстановления. Причины этого кроятся в том, что при проектировании и изготовлении газочувствительных микроэлектронных элементов не учтены взаимозависимости между технологическими особенностями, конструкцией и режимами работы, не проведена оптимизация и не полностью использовались возможности микроэлектронных технологий.

Применительно к термокаталитическим и адсорбционно-полупроводниковым чувствительным элементам, возможности эти кроятся в рациональной минимизации размеров тонких газочувствительных и резистивных пленок, в оптимизации тепловых, диффузионных, адсорбционных и химических процессов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности (прототип) является способ, изложенный в [2], отличающийся тем, что измерение производят не в установившемся режиме, а в циклически формируемом переходном процессе, во время которого происходит выгорание горючей компоненты в реакционной камере, имеющей ограниченный объем и пористые газопроницаемые стенки. Нагрев чувствительного элемента осуществляется в импульсном режиме. Преимущество такого способа заключается в повышении точности измерения за счет уменьшения аддитивной составляющей погрешности, обусловленной колебаниями атмосферного давления, температуры и влажности анализируемой смеси. Недостатки - сравнительно большая длительность измерительного цикла (8-10 с), обусловленная ограниченными возможностями объемных технологий, не позволяющими минимизировать массогабаритные параметры чувствительного элемента и сенсора в целом и обеспечивать высокое тепловое быстродействие. В результате значительную часть переходного процесса занимает неинформативный участок разогрева. Время информативной же части переходного процесса, связанное с выгоранием горючей компоненты, увеличивается из-за необходимости иметь достаточно большие размеры реакционной камеры, чтобы исключить влияния стенок камеры на теплоотвод и точность измерения.

Целью настоящего изобретения является реализация динамического способа газового анализа с повышением быстродействия и превращением его из циклического в псевдонепрерывный.

Поставленная цель достигается тем, что используют известный динамический способ анализа горючих газов и паров, включающий в себя циклический нагрев термокаталитического или адсорбционно-полупроводникового чувствительного элемента, размещенного в реакционной камере с ограниченным диффузионным доступом анализируемой газовой смеси, и измерения выходного сигнала как функции изменения электрического параметра чувствительного элемента во время переходного процесса, отличается тем, что с целью сокращения длительности измерения микроэлектронного чувствительного элемента, циклический процесс преобразуют в псевдонепрерывный, для чего, формируют тепловой переходный процесс так чтобы, соблюдалось постоянство значения теплообменного критериального числа БИО (Bi_т=αd'/λ) в следующих пределах 0,001-0,1, что сокращает длительность неинформативной части тепло- и массообменной релаксации и обеспечивает возможность выполнения съема информации о концентрации анализируемого компонента газовой смеси в начальный момент релаксации концентрационного поля; после завершения процесса съема информации нагрев сразу прекращают, а очередной цикл нагрева возобновляют после установления в реакционной камере концентрационного равновесия с окружающей средой. Также за счет уменьшения определяющего размера d' до значений, при которых величина критериального числа Нуссельта (Nu=c(GrPr)ⁿ) отвечает условию: Nu=1,18(GrPr)^1/8≤0,5, устраняют влияние положения датчика относительно гравитационного поля земли на величину выходного сигнала.

Пример реализации. Основным условием реализации способа является выполнение требования о формировании величины Bi_т в пределах 0,001-0,1. Теплообменное критериальное число БИО характеризует отношение сопротивления теплопроводности чувствительного элемента d'/λ. к сопротивлению теплоотдачи 1'/α. Поэтому реализация способа в предлагаемых значениях Bi_T означает, что времена релаксации внутреннего теплового поля, зависящего от d' и λ, в 10-100 раз меньших, чем времена релаксации наружного теплового поля, зависящего от α.

Здесь d' - определяющий размер (в нашем случае толщина резистивно-чувствительного слоя), м;

λ - коэффициент теплопроводности материала резистивно-чувствительного слоя, Вт/м·град;

α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м·град

Выполнение операции формирования теплового переходного процесса позволяет существенно (до нескольких миллисекунд) сократить неинформативную часть переходного процесса адсорбции и химической реакции, проходящего на поверхности чувствительного элемента, и осуществить последующую операцию по съему информации об анализируемом компоненте в начальный момент релаксации концентрационного поля, которая вследствие сокращения длительности тепловой релаксации также сокращается до нескольких десятков миллисекунд, и, таким образом, весь измерительный цикл занимает не более 100 мс.

Для повышения точности показаний исключают конвективную составляющую и осуществляют теплотдачу только за счет теплопроводности окружающей среды (условие Nu=1,18(Gr Pr)^1/8≤0,5).

Здесь Gr - число Грасгофа, Pr - число Прандтля.

Предлагаемый способ анализа горючих газов и паров позволяет при переходе от объемных технологий изготовления чувствительных элементов к микроэлектронным использовать их потенциальные возможности для сокращения времени измерительного цикла в динамическом режиме работы.

Литература

1. В.М.Немец и др. Методы анализа неорганических газов. Санкт-Петербург "Химия", 1993, 560 с.

2. Е.Ф.Карпов и др. Устройство для измерения содержания горючего газа. А.с. СССР № 1627960. Москва. Бюллетень изобретений № 6. 15.02.1991 г.

1. Динамический способ анализа горючих газов и паров в воздухе, включающий циклическое включение и выключение термокаталитического или адсорбционно-полупроводникового чувствительного элемента, помещенного в реакционную камеру с ограниченным диффузионным доступом анализируемой смеси воздуха с горючим компонентом, и измерение выходного сигнала в период переходного процесса как функцию изменения электрических параметров чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерения чувствительного элемента, изготовленного по микроэлектронной технологии, циклический процесс преобразуют в псевдонепрерывный, для чего формируют тепловой переходный процесс так, чтобы соблюдалось постоянство значения теплообменного критериального числа БИО (Bi_Т=αd'/λ) в следующих пределах: 0,001-0,1, что сокращает длительность неинформативной части тепло-, массообменной релаксации и обеспечивает возможность выполнения съема информации о концентрации анализируемого компонента газовой смеси в начальный момент релаксации концентрационного поля; после завершения процесса съема информации, нагрев сразу прекращают, а очередной цикл нагрева возобновляют после установления в реакционной камере концентрационного равновесия с окружающей средой.

2. Динамический способ анализа горючих газов и паров по п.1, отличающийся тем, что влияние положения датчика относительно гравитационного поля земли на величину выходного сигнала устраняют за счет уменьшения определяющего размера d′ до значений, при которых величина критериального числа Нуссельта [Nu=c(GrPrⁿ] отвечает условию Nu=1,18(GrPr)^1/8≤0,5.