Способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде

Изобретение относится к области анализа газовых сред. Способ заключается в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульс электрического тока. Предварительно определяют количество тепла , выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, далее определяют количество тепла Q1-2, выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, при этом τ1 - время начала импульса электрического тока, а τ2 - время его прекращения при установлении постоянной величины сигнала термокаталитического элемента, и затем определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде. Технический результат - повышение точности определения. 3 ил., 1 табл.

 

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 кислородсодержащей 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, SU 1286985.

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, SU 1711061.

Этот способ более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом по SU 1286985. Однако весьма серьезным недостатком данного способа 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 (% НКПР), 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 % НКПР только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше способу по SU 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, 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 использование 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 150×55×188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78×142×26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.

Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечивает возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, а также позволяет решить задачу увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что увеличивает время непрерывной работы приборов, реализующих способ, RU 2156972.

Указанный способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде заключается в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени в интервале отτ0 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 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 термокаталитического элемента в момент времени τ1, текущее значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени τ2, определяют значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени τ2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют и по величине судят о значении концентрации газов в кислородосодержащей среде.

Данный способ принят в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является неудовлетворительная для ряда случаев точность определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Это объясняется тем, что в способе-прототипе сопротивление ТКЭ измеряют только в отдельных точках его переходной характеристики; это не позволяет оценить количество тепла, выделившегося на ТКЭ, в то время как для более точного и достоверного определения концентрации горючих газов и обусловленной этой концентрацией взрывоопасности их смеси с кислородосодержащей средой необходимо напрямую учитывать количество тепла, выделяющегося при сгорании горючих газов на ТКЭ.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.

Согласно изобретению в способе определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающемся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульс электрического тока, предварительно определяют количество тепла , выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, далее определяют количество тепла Q1-2, выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, при этом τ1 - время начала импульса электрического тока, а τ2 - время его прекращения при установлении постоянной величины сигнала термокаталитического элемента, и затем определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде

,

где - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ1 до τ2;

Q1-2 - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от

τ1 до τ2;

СНКПР - концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (%, НКПР);

- стандартная теплота горения горючего газа.

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, в конкретном примере типа КИМ-1 с реакционным объемом 35 мм3, калиброванным отверстием в стенке 0,7 мм. 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, снабженным дисплеем 5. Генератор 3 обеспечивает подачу импульсов тока заданной величины на ТКЭ 1 в заданные моменты времени. С ТКЭ 1 на вход контроллера 4 поступают электрические сигналы, содержащие информацию о текущем значении теплоты сгорания горючих газов на ТКЭ.

В таблице приведены значения для большинства горючих газов. Как следует из таблицы, эти значения равны 1±0,12. При определении концентрации горючего газа или их смеси значение принято одинаковым для всех горючих газов, в среднем равным 1,05, что не оказывает существенного влияния на установление наличия или отсутствия взрывоопасности многокомпонентных смесей на основе полученных результатов определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство наглядно иллюстрируется также графиками статических характеристик для различных газов, которые практически совпадают.

Способ реализуют следующим образом.

Камеру 2 помещают в кислородосодержащую среду, не содержащую горючих газов, и определяют количество тепла выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ1 до τ2. Для этого на ТКЭ 1 в момент времени τ1 подают импульсы постоянного электрического тока от генератора 3. Величина тока импульса около 45 мА. Подачу указанного импульса прекращают в момент, когда значения сигнала ТКЭ 1 установятся на постоянном уровне. Электрический сигнал с ТКЭ 1 поступает в контроллер 4, где по известной программе вычисляется количество выделившегося тепла. Это количество соответствует в графической интерпретации заштрихованной области под верхней зависимостью на фиг.2.

Количество выделяющегося при каждом последующем импульсе тепла существенно не изменяется, и контроллер 4 выдает усредненное значение . Затем камеру 2 помещают в кислородосодержащую среду, в которой имеется горючий газ, и аналогичным образом определяют количество тепла Q1-2, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ1 до τ2.

После этого определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде

,

где - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от

τ1 до τ2;

Q1-2 - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в

интервале времени от τ1 до τ2;

СНКПР - концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (%, НКПР);

- стандартная теплота горения горючего газа.

Значения берутся из справочников, например, А.Н.Баратов и др. Пожароопасность веществ и материалов и средства их тушения, в 2-х кн., М., 1990.

Постоянная величина сигнала ТКЭ, соответствующая времени прекращения подачи импульса в момент времени τ2, соответствует переходу процесса на ТКЭ из кинетической области реакции окисления горючих газов в кислородосодержащей среде в диффузионно-контролируемую область реакции. При этом имеет место так называемый квазипроточный процесс окисления, при котором происходит полное сгорание всех горючих компонентов и определяется в отличие от прототипа практически полное количество тепла, выделяющегося на ТКЭ. Благодаря прямой (а не косвенной, как в прототипе) и более полной оценке количества этого тепла, заявленный способ позволяет значительно более точно и достоверно определять концентрацию горючих газов в кислородосодержащей среде и, соответственно, взрывоопасность газовых сред, в том числе многокомпонентных.

Количество теплоты, содержащейся в одинаковых объемах горючей смеси при концентрации, соответствующей НКПР
Горючий газ Химическая формула СНКПР, % по объему Стандартная теплота горения СНКПР·
Метан СН4 5,28 191,554 1,01
Этилен С2Н4 2,7 314,799 0,85
Этан С2Н6 2,9 376,421 1,09
Пропилен С3Н6 2,4 458,345 1,1
Пропан С2Н8 2,3 488,201 1,12
Бутилен С4Н8 1,6 607,29 0,97
Дивинил С4Н6 2 575,857 1,15
Бензол С6Н6 1,43 756,998 1,08
Толуол С7Н8 1,27 900,898 1,14
Стирол C8H8 1,1 1060,19 1,17
Циклогексан С6Н12 1,3 881,103 1,15
Метиловый спирт СН4О 6,98 182,43 1,12
Этиловый спирт С2Н6О 3,6 336,295 1,14
Изопропиловый спирт С3Н8О 2,23 489,968 1,09
Диэтиловый эфир C4H10O 1,7 604,519 1,03
Окись этилена С2Н4О 3,2 291,392 0,93
Уксусный альдегид С2Н4О 4,1 259,599 1,06
Ацетон С3Н6О 2,7 435,029 1,13
Октан C8H18 0,9 1221,94 1,1
Ацетилен С2Н2 2,5 310,739 0,88
н-Гексан С6Н14 1,24 928,394 1,15
Диметиловый эфир С2Н6О 3,67 315,754 1,16
Окись углерода СО 12,5 67,5934 0,84

Способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульс электрического тока, отличающийся тем, что предварительно определяют количество тепла , выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, далее определяют количество тепла Q1-2, выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ1 до τ2 в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, при этом τ1 - время начала импульса электрического тока, а τ2 - время его прекращения при установлении постоянной величины сигнала термокаталитического элемента, и затем определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде
,
где - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ1 до
τ2;
Q1-2 - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ1 до τ2;
СНКПР - концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (%, НКПР);
- стандартная теплота горения горючего газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к физико-химическим методам измерения. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а конкретнее к области измерений удельной теплоты сгорания калорийности горючих газов и паров. .

Изобретение относится к устройствам для изучения фазового поведения углеводородов и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности для исследовательских целей при установлении основных параметров глубинных и рекомбинированных проб пластовых нефтей и газоконденсатных систем, приведенных к термобарическим условиям их залегания.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для прецизионных измерений теплоты сгорания газообразных видов топлива. .

Изобретение относится к физической химии и может быть использовано для анализа природных горючих газов, для определения их теплот сгорания. .

Изобретение относится к химмотологии горючего и может быть использовано для оценки энергоемкости топливных смесей в процессе подбора состава горючих на стадии их разработки.

Заявляемое изобретение относится к области контроля физико-химических характеристик природного газа и может быть использовано для экспресс-определения теплоты сгорания природного газа. Заявленный способ включает определение концентрации диоксида углерода в пробе газа. При этом дополнительно определяют скорость ультразвука в пробе газа, давление, влажность и температуру пробы газа. После этого производят корректировку результатов измерений скорости ультразвука по результатам измерения давления, влажности и температуры пробы газа. Затем определяют теплоту сгорания пробы газа с помощью блока обработки, содержащего искусственную нейронную сеть, выполненную с возможностью определения значения теплоты сгорания природного газа в условных единицах по значению концентрации диоксида углерода, и скорректированному как указано выше значению скорости ультразвука. Устройство содержит измерительную камеру (2), в которой размещены датчик концентрации диоксида углерода (3), датчик давления (6), датчик влажности (7), датчик температуры (8) и датчик скорости ультразвука (9). При этом вышеупомянутые датчики соединены с блоком обработки (4). Технический результат - повышение точности получаемого результата и возможность непрерывного измерения теплоты сгорания природного газа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области аналитической техники и может быть использовано для автоматического контроля теплоценности газообразных топлив. Автоматический анализатор теплоценности газообразных топлив содержит камеру, в днище которой установлена горелка для формирования пламени во внутренний полости камеры, буферную колонку, выход которой через тройник соединен с входом горелки и трубопроводом подачи водорода в горелку, автоматический дозатор с двумя входными штуцерами, соединенными с трубопроводом анализируемого газа и трубопроводом газа-носителя, термопару, расположенную над горелкой и подключенную последовательно к нормирующему преобразователю и устройству обработки и отображения информации. В анализаторе по ходу движения газа-носителя за автоматическим дозатором и перед буферной колонкой дополнительно установлены соответственно вспомогательная колонка и турбулентный дроссель. Технический результат - повышение достоверности и точности получаемых данных. 2 ил.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности к способам определения энергии сгорания газообразных и жидких топлив, преимущественно реактивных топлив, и может быть использовано в области научных исследований при разработке новых композиций топлив и перспективных высокоскоростных двигателей. Сущность изобретения заключается в определении энергии сгорания топлив с использованием лабораторной установки перепускного типа при этом учитывается количество и состав продуктов сгорания - коэффициент адиабаты k, образовавшихся при сгорании в условиях, приближенных к условиям эксплуатации двигателя, масса поступившего топлива mгр в реакционную камеру, которая напрямую зависит от взятой массы mг исследуемого топлива, и прирост давления в реакционной камере при сгорании ТВС. Технический результат - повышение достоверности полученных результатов за счет приближения условий испытаний к условиям эксплуатации воздушно-реактивного двигателя на ТВС заданного состава. 2 ил.

Изобретение относится к способу измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе, основанному на использовании термокаталитических сенсоров пелисторного типа, может использоваться в газоаналитической аппаратуре на предприятиях горнодобывающей, газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности. Способ измерения концентраций горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа включает циклический режим работы сенсора с двухступенчатым импульсным питанием с заданными амплитудами напряжения, длительностью импульсов напряжения и паузами между ними. При этом первую ступень двухступенчатого импульса напряжения формируют путем кратковременной подачи напряжения на сенсор, в 2-2,5 раза превышающего номинальное рабочее напряжение сенсора, и длительностью, ограниченной моментом достижения сенсором температуры, на 15-20% превышающей ее номинальное рабочее значение. Измерение концентраций горючих газов производят в период переходного процесса охлаждения сенсора и выполняют путем измерения разницы выходных сигналов напряжений в двух строго фиксированных по времени точках в начале и конце переходного процесса охлаждения. Технический результат заключается в сокращении длительности и мощности нагревно-измерительного импульса тока при циклическом режиме работы термокаталитического сенсора, что снижает время контакта с реагирующими веществами и способствует повышению стойкости каталитически активной поверхности к отравлению каталитическими «ядами» и снижению блокирования этой поверхности отложениями кокса-углерода, образующегося в процессе окисления углеводородов и серосодержащих горючих составляющих. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.
Наверх