Термокаталитический детектор горючих газов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (63) Дополнительное к авт. свид-ву— рцут g з

G 01 и 27/16 (22) Заявлено щ1181 (23) 3350101/18-25 с присоединением заявки Нов

Государствеииый комитет

СССР мо делам мзобретемий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.01.83. Ьоллетень И92 ($3) УДМ 543. 274 (088.8) Дата опубликоваиия описаиия 15.01,83 (54) ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИИ ДЕТЕКТОР

ГОРЮЧИХ А3ОВ

Изобретение отйосится к газовому анализу, в частности к термохимическим устройствам для измерения концентрации горючих газов, и может найти применение в качестве термочувствительного элемента в системах регулирования и контроля содержания горю- чих газов в атмосфере производственных помещений, в угольных шахтах, 30 для определения концентрации горючих ,газов в продуктах сгорания или уходящих газах различных технологических процессов.

Известен термокаталитический датчик горючих газов, действие которого основано на использовании термического эффекта окисления горючей компоненты на поверхности носителя с катализатором. Датчик содержит рабочую и компенсационную термочувствительные ячейки, включенные в смежные плечи мостовой схеьн. Каждая ячейка выполнена в виде капсулы из пористого керамического материала. Внутри капсулы находится нагревательная спираль, служащая одновременно термометром сопротивления. Поверхность капсулы рабочей ячейки покрыта мелкодисперсным катализатором, в качестве которого используются хлорилы платины н палладия. При наличии горючей компоненты в газовой смеси происходит ее каталитическое окисление на поверхности рабочей ячейки. Сопровождающий химическую реакцию процесса окисления тепловой эффект, в свою очередь, приводит к изменению температуры рабочей ячейки относительно компенсационной.

Возникающий при таком изменении температуры разбаланс мостовой схема служит мерой концентрации горючего газа в смеси 13. . Недостатком этого детектора явля ется его низкая чувствительность, на личие искажений, вносимых в.показания трудно устранивеам разбалансом мостовой схемы за счет несимметричных условий теплообмена рабочей и компенсационной ячеек с окружающей средой.

Кроме того, значительные погрешности возникают вследствие несимметричного, распределения температуры элементов ограждающей конструкции, а также флюктуаций температуры анализируемо,ã"о газового потока. Все это заметно снижает обнаружительную способность детектора.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является термокаталитический детектор горючих

989431 газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и пассивным покрытиями на пористом носителе и состоящий из идентичных по форме и геометрическим размерам активной и пассивной ячеек, размещенных в обогрева- 5 емой камере. Ячейки представляют собой два покрытых керамическим слоем спая дифференциальной.-хромель-алюмелевой термопары. На поверхности активной рабочей ) ячейки нанесен мел-. щ кодисперсный катализатор — платиновая паста, на котором протекает окисление

С0 в СО . Возникающий при этом тепловой эффект реакции вызывает дополнительный нагрев рабочей ячейки. Соот- 5 ветствующий ему электрический сигнал дифференциальной термопары пропорционален концентрации СО и служит его мерой t23.

В данном техническом решении час- о тично устранены искажения за счет самопроизвольного разбаланса мостовой схемы. Однако погрешности, обусловленные несимметричным воздействием от неравномерного распределения температуры в камере и флюктуаций температуры газового потока пробы сохраняются. Кроме того, чувствительность и обнаружительная способность детектора остаются низкими, так как

1 значительная часть тепловой энергии -ЗО от каталитического окисления рассеивается в окружающую среду, а поверхность гетерогенного реагирования ограничена инерционностью термодатчика, которая растет пропорционально З5 квадрату размера ячейки.

Целью изобретения является повышение чувствительности и улучшение обнаружительной способности термоката,литического детектора горючих газов. 40

Поставленная цель достигается тем, что термокаталитический датчик горючих газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и пассивным покРытиями на пористом кеРамическом 45 носителе, выполнен в виде термоэлектрически аннзотропной пластины с системой параллельных разрезов, образующих последовательно соединенные ветви меандра, причем напрявление максимальной анизотропии в пластине составляет угол 45 с поверхностью пластины и с продольным направлением ветвей меандра, при этом каждая из ветвей меандра,содержит с одной стороны каталитически активное, а с противоположной стороны - каталитически пассивное покрытия, чередующиеся в смежных ветвях меандра на каждой стороне пластины.

В сравнении с известным в предла- 60 гаемом устройстве сводятся к минимуму искажения, вносимые в показания детектора неизотермичиостью и флюктуация ми температуры контролируемой газовой среды и элементов ограждающей 65 конструкции. Каждая ветвь меандра из термоэлектрически анизотропной пластины эквивалентна батарее большого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар, сигнал которых суммируется. В детекторе непосредственно определяется мощность энерговыделения гетерогенного процесса каталитического окисления, более достоверно отображающая количественную характеристику состава, т.е. концентрацию горючего газа в смеси. Все это .способствует повышению чувствительности детектора и улучшению его обнаружитеЛьной способности.

На фиг. 1 показана конструкция термокаталитического детектора; на фиг. 2 - разрез А-A на фиг. 1.

Детектор содержит термоэлектрический преобразователь теплового потока, представляющий собой термоэлектрически анизотропную пластину с системой параллельных разрезов 1, образующих последовательно соединенные ветви меандра 2 с токосъемными выводами 3. Обе плоскости пластины покрыты тонким слоем керамического носи- теля 4 на основе М О . В чередующемся порядке на ветви покрытого пористой керамической массой термопреобразователя нанесен мелкодисперсный платино-палладиевый катализатор 5.

При этом каждая ветвь меандра с одной стороны содержит каталитически активное покрытие, а с противоположной — пассивное. Детектор установлен

s камере, куда подается анализируемая газовая смесь, предварительно подогретая до температуры начала каталитического окисления горючей компоненты.

Термокаталитический детектор горючих газов работает следующим образом.

При контакте подогретой газовой смеси с активными поверхностями ветвей меандра происходит каталитическая реакция окисления горючей компоненты, сопровождающаяся соответствующим тепловым эффектом. Под действием последнего возникает нагрев. ветвей меандра 2 со стороны каталитически активного покрытия 5, вызывающий появление градиента температуры в направлении от активного 5 к пассивному покрытию 4. В результате того, что в смежных ветвях меандра активное и пассивное покрытия чередуются, градИент температуры в соседних ветвях направлен в противоположные стороны.

Под действием градиента температуры вследствие анизотропии термоэлектрических свойств пластины вдоль каждой, ветви меандра генерируется поперечная относительно направления градиента температуры ЭДС 0 . При этом направление максимальной,анизотропии в пластине составляет угол 45 с поверхностью пластины и продольным на9894 31 правлением ветвей меандра, что обеспечивает чаибольшую эффективность термопреобразования в датчике. Меха,низм работы такого термодатчика подобен действию преобразователя из большого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар.

Поскольку градиенты температуры в соседних ветвях взаимно противополож,ны, электрические сигналы ветвей меандра складываются. Таким образом, снимаемый с токосъемных выводов 3 результирующий сигнал пропорционален мощности энерговыделения от реакции каталитического окисления и служит мерой концентрации горючей компоненты в газовой смеси.

Помимо полезного сигнала за счет теплоты реакции каталитического окисления детектор воспринимает также тепловой поток, обусловленный неизотермичностью газовой среды и несимметричным распределением температуры в элементах ограничивающей конструкции, что влечет эа собой появление дополнительной составляющей градиента температуры в каждой ветви меандры.

Однако вследствие того, что термопреобраэователь детектора выполнен в виде термоэлектрически анизотропной пластины с указанной системой разрезов, электрические сигналы в соседних ветвях меандра, вызванные дополнительной составляющей градиента температуры, которая в отличие от основной составляющей направлена во всех ветвях меандра в одну и ту же сторону, компенсируются. Таким образом, искажения, вносимые в показания детектора неизотермичностью и флюктуациями температуры окружающей среды, устраняются. Тем самым повышается чувствительность детектора и улуааается его обнаружительная способность.

По сравнению с известными устройствами предлагаемтй детектор обеспечивает повышение технико-экономиче- ской эффективности в связи с тем, что детектор работает аналогично батарее из большого числа последователь но включенных термоэлементов, а его сигнал не зависит от толщины термоэлектрически анизотропного термодатчика и определяется только эффективной длиной меандры, чувствительность такого датчика в 3-4 раза превышает чувствительность прототипа. При этом детектор может быть выполнен тонкостенным, а следовательно, и малоииерционным, поскольку генерируемый преобразователем сигнал не зависит от его толщины, а определяется градиентом температуры по толщине пластины. .Вследствие того, что в конструкции детектора компенсируются искажения. вносимые в его показания неизотермичностью и флюктуациями температуры контролируемой газовой среды и элементов ограждающей конструкции, более чем на порядок увеличивается отношение полезного сигнала к сигналу шума, что улучшает обнаружительную способность детектора. Предлагаемый детектор характеризуется простотой и точностью измерения, поскольку исключена операция балансировки мосто10 вой схема и отпадает необходимость в тщательном термостатировании анализируемой пробы.

Достигаемое детектором пов шение точности и улучшение обнаружительной

15 способности при использовании его, например, в качестве термокаталитического детектора в анализаторе качества сжигания топлива на котлоагрега.:тах электростанций, позволяет- наибо20 лее полно контролировать и устранять химнедожог топлива. Это может обеспечить значительную экономию топлива.

Детектор, кроме того, может найти эффективное применение в качестве

2> термочувствительного элемента в системах регулирования и контроля содержания горючих газов в атмосфере различных производственных помещений, в угольных шахтах, дпя определения

30 концентрации горючих газов в уходящих газах некоторых технологических процессов.

Формула изобретения

Термокаталнтический детектор горючих газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и пассивным покрытиями на пористом керамическом носителе, о т л,и ч а ю шийся тем, что, с целью повьиаения чувствительности и улучшения обнаружительной способности детектора, он выполнен в виде термоэиектрически аиизотройной пластины с системой параллельных разpesos, образующих последовательно соединенные ветви меаидра, причем направление максимальной анизотропии в пластине составляет угол 45 с поверхностью пластины и с продольным направлением ветвей меандра, при этом каждая иэ ветвей иеандра содержит с одной стороны каталитически активное, а с противоположной стороны — каталитически пассивное покрытия, чередующиеся в смежных ветвях меандра на каждой стороне пластины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

6О 1. Патент Франции В 2357892, кл. G 01 H 27/16,. 1978.

2. Патент СНА 9 4063898, кл. G 01 й. 27/16, опублик. 1977 (прототип).

989431

Составитель Н. Преображенская

Редактор Т. Веселова Техред М.Надь Корректор д. Бокшан .3акаэ 11115/62 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, 7(-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4