Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа



Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа
Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа
Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа
Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа
Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа

 


Владельцы патента RU 2623828:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (RU)

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.

 

Изобретение относится к способу измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе, основанному на использовании термокаталитических сенсоров пелисторного типа, может использоваться в газоаналитических портативных приборах, стационарной газоаналитической аппаратуре, автоматизированных системах контроля и измерения горючих газов и паров в воздухе на предприятиях горнодобывающей, газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, а также в энергетике, коммунальном хозяйстве и транспорте.

Термокаталитический принцип газового анализа широко распространен в практике газоанализостроения, общее количество ежегодно выпускаемых термокаталитических газоанализаторов и газосигнализаторов фирмами промышленно развитых стран исчисляется сотнями тысяч штук.

Основными достоинствами, определившими широкое применение термокаталитических сенсоров для контроля горючих газов и паров в воздухе являются: простота принципиальных и конструкторских решений как первичных преобразователей (чувствительных элементов), так и сенсора в целом; высокий выходной сигнал; небольшие массогабаритные параметры датчика; способность реагировать только на горючие газы и пары, отсутствие перекрестной чувствительности по отношению ко всем другим негорючим газам, что очень ценно для эксплозиметрии; сравнительно малое потребление электрической энергии, исключающее проблемы с обеспечением искробезопасности электрических цепей; диффузионный подвод анализируемой газовой смеси, не требующей применения побудителей; простой способ взрывозащиты и защиты от влияния пыли и скорости воздушных потоков с помощью металлокерамических газообменных фильтров.

В практике применения термокаталитических сенсоров используют статические (стационарные) и динамические режимы работы. Предполагаемое изобретение относится к классу термокаталитических сенсоров, работающих в динамическом режиме. Измерения выходного сигнала при работе в этом режиме производят циклически. Длительность каждого цикла включает: продолжительность (время) импульса тока для нагрева чувствительных элементов до рабочей температуры, продолжительность процесса измерения выходного сигнала и длительность паузы, обусловленной требованиями к допустимой инерционности (времени отклика).

Известен способ измерения (аналог), относящийся к динамическим методам измерения с использованием моста Уитстона, который раскрыт в устройстве для измерения содержания горючего газа (см. напр. а.с. СССР N 1627960, МПК G01N 25/00, опубл. 15.02.1991).

В этом способе о содержании горючего газа, например метана, судят не но абсолютному значению сигнала моста Уитстона, а по разности сигналов, снимаемых в двух разнесенных по времени точках кривой переходного процесса выгорания (беспламенного) окисления метана внутри реакционной камеры сенсора. Эта разность пропорциональна абсолютному содержанию довзрывных концентраций метана в воздухе. Для формирования переходного процесса используют диффузионную головку сенсора с пониженной проницаемостью пористой газообменной стенки, а рабочий чувствительный элемент - с производительностью, превышающей величину диффузионного потока, ограниченного проницаемостью газообменной стенки. Переходный процесс выгорания метана формируют путем периодического включения моста на определенный период времени, в течение которого чувствительные элементы сенсора прогреваются до рабочей температуры, а снятие информации о концентрации метана производят в начальной стадии диффузионной релаксации после окончания периода прогрева. Затем, по завершению процедуры снятия информации, цикл сразу прерывают и очередной цикл возобновляют после паузы, в течение которой в реакционной камере устанавливается концентрационное равновесие с анализируемой окружающей средой.

По сравнению со статическим методом динамический метод позволяет избавиться от аддитивной погрешности, обусловленной дрейфом нулевых показаний моста и сократить энергопотребление за счет циклического питания.

Недостаток в том, что хотя всякое циклическое питание само является энергосберегающим, но в аналоге длительность импульса и соответственно потребляемый ток и рассеиваемая мощность не оптимизированы по минимуму потребления, что особенно важно при наметившейся тенденции к переходу от проводных систем мониторинга взрывоопасных и токсичных газов к беспроводным с использованием автономных источников питания и передачей информации по радиоканалу.

Известен другой способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе (прототип), относящийся к динамическому методу измерения и включающий циклический режим работы сенсора с двухступенчатым импульсным питанием с заданными амплитудой напряжения, длительностью импульсов напряжения и паузами между ними (см. напр. патент США 6346420, Нац. Кл. 422/94, опубл. 2002).

В отличие от аналога в прототипе используется только один рабочий чувствительный элемент, что позволило уменьшить объем реакционной камеры, а диффузионный доступ в реакционную камеру ограничить калиброванным отверстием. Для исключения зависимости выходного сигнала от проницаемости пористой газообменной стенки доступ в реакционную камеру осуществляют не непосредственно из анализируемой среды, а через буферное пространство между газообменным фильтром и реакционной камерой, объем которого выбирают достаточным, чтобы концентрация горючей составляющей в нем в течение одного цикла не изменялась. В этом случае изменение сопротивления газообменной стенки никак не сказывается.

Указанные отличия являются достоинствами способа по сравнению с аналогом.

Одним из недостатков, так же как аналога, является относительно высокое энергопотребление в импульсе, не удовлетворяющее условиям энергосбережения, требующегося в беспроводных системах мониторинга взрывоопасных и токсичных газов.

Другой недостаток в том, что если в смеси горючих газов имеется легковоспламеняющийся газ, например водород, то он не будет измеряться и в этом случае необходимо изменять длительность и амплитуду импульса напряжения и точки отбора показаний, т.е. практически делать последовательно два цикла измерений, один для водорода, другой для всех других горючих газов, что удлиняет вдвое процесс измерений.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа для сокращении длительности и мощности нагревно-измерительного импульса напряжения при циклическом режиме работы термокаталитического сенсора в энергонезависимых беспроводных сенсорных сетях для систем промышленной безопасности экологического мониторинга, 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.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения концентраций горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа, включающий циклический режим работы сенсора с двухступенчатым импульсным питанием с заданными амплитудой напряжения, длительностью импульсов напряжения и паузами между ними, 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, а измерение концентраций горючих газов могут производить в период переходного процесса охлаждения сенсора и выполнять путем измерения разницы выходных сигналов напряжений в двух строго фиксированных по времени точках в начале и конце переходного процесса охлаждении.

Поскольку 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, а измерение концентраций горючих газов могут производить в период переходного процесса охлаждения сенсора и выполнять путем измерения разницы выходных сигналов напряжений в двух строго фиксированных по времени точках в начале и конце переходного процесса охлаждения, обеспечивается сокращение длительности и мощности нагревно-измерительного импульса тока при циклическом режиме работы термокаталитического сенсора в энергонезависимых беспроводных сенсорных сетях для систем промышленной безопасности экологического мониторинга, 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.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.

Фиг. 1. Блок-схема стенда, на котором проводилась экспериментальная оценка способа.

Фиг. 2. Формы импульса и их длительность для предлагаемого способа (1, 2) и для прототипа (3).

Фиг. 3. Форма кривой охлаждения ЧЭ при:

Кривая А - 0% СН4;

Кривая Б - 1,01 % CH4;

Кривая В - 2,5% СН4.

Фиг. 4. Зависимость величины выходного сигнала от концентраций СН4 (кривая Г) и градировочная кривая, построенная по точкам, соответствующим испытанным концентрациям (кривая Д).

Стенд (фиг. 1), на котором проводилась экспериментальная оценка способа, состоит из реакционной камеры 1, чувствительного элемента сенсора 2, газообменного фильтра 3 из пористой металлокерамики, генератора импульсов 4, блока измерения и представления информации 5, микроконтроллера 6 и источника питания 7.

Осуществление изобретения

Оценка и осуществление предложенного способа производились на стенде, функциональная схема которого представлена на фиг. 1.

Функции формирования точных по длительности и амплитуде импульсов тока, организации синхронизации процессов, выполняет микропроцессор блока 6 с 10-разрядным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Так как сигнал ЦАП микроконтроллера имеет малую мощность (существует ограничение по протекающему через него току), окончательное формирование импульсов с требуемым значением тока и напряжения происходит в блоке генератора импульсов, который обладает высокоскоростными характеристиками, позволяющими не искажать временные и амплитудные границы импульса тока и напряжения.

Первая ступень двухступенчатого импульса напряжения нагревает чувствительный элемент 2 до температуры, примерно на 100°C превышающей рабочую (420°C), вторая ступень двухступенчатого импульса напряжения, меньшая по амплитуде, обеспечивает снижение температуры до его рабочего значения.

Переход с первой ступени на вторую формирует тепловой переходный процесс промежуточного остывания чувствительного элемента, с которого и снимается измерительная информация. Контроль за температурой чувствительного элемента сенсора 2, требующий измерения тока и напряжения на чувствительном элементе осуществляется блоком 5. Дифференциальный сигнал, пропорциональный концентрации горючих составляющих, формируется также в блоке 5 как разница показаний в двух фиксированных по времени точках теплового переходного процесса остывания чувствительного элемента.

Полученный аналоговый сигнал переводится в цифровую форму с помощью АЦП микропроцессора блока 6, после чего сравнивается с параметрами переходного процесса, снятыми на чистом воздухе. Электропитание всех электронных блоков и чувствительного элемента обеспечивает блок 7.

Испытания предлагаемого способа и подтверждение правильности его основных положений, проводившиеся на описанном стенде, дали следующие результаты.

Сначала были выбраны параметры импульсов нагревающего напряжения и тока, пауз, через которые импульсы повторяются, и цикла в целом. В образце использовался промышленно выпускаемый чувствительный элемент с нагревателем в виде спирали из платинового микропровода d=10 микрометров, носителем из γ-Al2O3, платина-палладиевым каталитически активным покрытием, с определяющим размером тела чувствительного элемента, равным 0,3 мм.

Выбор вышеуказанных параметров проводился в среде чистого воздуха. Для данного типа чувствительного элемента получены следующие параметры: стабилизированное напряжение питания первой половины импульса - 3,6 В, длительность импульса - 80 мс; стабилизированное напряжение второй половины импульса - 1,4 В, длительность второй половины импульса - 120 мс; полная длительность импульса - 200 мс; минимальная длительность паузы, достаточная для остывания чувствительного элемента до температуры окружающей среды <1 с.

На фиг. 2 представлены формы импульса напряжения и их длительность для предлагаемого способа (1, 2) и для прототипа (3).

Следующий этап осуществления способа - выбор участка кривой теплового переходного процесса для снятия информации о концентрации горючего газа (метана) в воздухе.

В основу метода определения концентрации горючей составляющей положено явление торможения процесса остывания чувствительного элемента в зависимости от количества выделяемого тепла химической реакции, пропорционального концентрации горючей составляющей.

На фиг. 3 представлен характер торможения теплоотвода на участке переходного процесса от 100 до 200 мс. Кривая А отражает процесс остывания чувствительного элемента при 0% СН4. Кривая Б характеризует остывание при 1,01% СН4 и кривая В - при 2,5% СН4. Экспериментально установлено, что наибольшая разница в темпе остывания наблюдается в начальной стадии переходного процесса, для выбранного чувствительного элемента в диапазоне 100-200 мс.

Для оценки зависимости теплоотвода во всем диапазоне измерений от 0 до 2,5% об. дол. СН4 были измерены сигналы по теплоотдаче для ряда концентраций СН4 % об. дол.: 0%; 0,17%; 0,45%; 1,01%; 1,5%; 2,5%. Зависимость величины сигнала от концентрации СН4 представлена на фиг. 4 (кривая Г), где градировочная кривая построенная по точкам, соответствующим испытанным концентрациям, незначительно отличается от линейной зависимости (кривая Д).

Потребление электроэнергии чувствительным элементом, выпускаемым НТЦ ИГД и используемым в испытаниях по проверке предлагаемого способа, определялось при стабилизированном напряжении на каждой из ступеней и составляло на 1-й ступени при изменении тока за 80 мс с 0,3 А до 0,07 А ~ 0,014 А⋅с, на 2-й ступени при изменении тока за 100 мс с 0,07 А до 0,05 А ~ 0,006 А⋅с.

Таким образом, проведенные испытания подтверждают эффективность предлагаемого способа для использования в энергонезависимых беспроводных сенсорных сетях и подтвердили достижение сокращения длительности и мощности нагревно-измерительного импульса тока при циклическом режиме работы термокаталитического сенсора в энергонезависимых беспроводных сенсорных сетях для систем промышленной безопасности экологического мониторинга, 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. Способ измерения концентраций горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа, включающий циклический режим работы сенсора с двухступенчатым импульсным питанием с заданными амплитудами напряжения, длительностью импульсов напряжения и паузами между ними, отличающийся тем, что первую ступень двухступенчатого импульса напряжения формируют путем кратковременной подачи на сенсор напряжения, 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

Заявленная группа изобретений относится к датчику горючих газов. Заявленная группа изобретений включает датчики горючих газов и способ действия датчика для горючих газов.

Сигнализатор может быть использован для контроля довзрывоопасных концентраций газов и паров в воздухе производственных помещений и рабочих зон. Сигнализатор довзрывоопасных концентраций состоит из одинарного термокаталитического элемента, генератора стабильного тока, источников опорного напряжения, таймера, повторителя напряжения, электронных ключей, узла регистрации обрыва термокаталитического элемента, монитора питания, запоминающего каскада, компаратора превышения порога, узла отображения и передачи данных.

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано в газоанализаторах для определения концентрации водородсодержащих горючих газов в окружающей среде и позволяет расширить диапазон измерения концентрации водородсодержащих горючих газов до 100 об.%.
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к технологии изготовления чувствительных элементов термохимических (термокаталитических) датчиков горючих газов, и может быть использовано в газоанализаторах для контроля довзрывных концентраций взрыво- и пожароопасных газов и газовых смесей.

Изобретение относится к аналитической технике, предназначенной для анализа газовых сред, в частности к детектированию веществ, разделяемых в хроматографических колонках для их последующего изотопного анализа, и может быть использовано в газовой и нефтяной промышленности, энергетике, геохимии, гидрологии, экологии, аналитическом приборостроении при проведении высокоточных измерений концентраций органических газов, кислорода, газообразных оксидов и для определения изотопного состава углерода, водорода и азота в смесях органических газов.

Изобретение относится к газовому анализу и может быть применено при разработке приборов контроля взрывоопасных газов в окружающей среде. .

Изобретение относится к области газового анализа. .

Изобретение относится к способам измерения концентрации горючих газов в окружающей среде и может быть использовано для индикации в системах взрывопредупреждения и контроля степени взрывоопасности объектов.

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.

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.

Заявляемое изобретение относится к области контроля физико-химических характеристик природного газа и может быть использовано для экспресс-определения теплоты сгорания природного газа.

Изобретение относится к области анализа газовых сред. .

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.
Наверх