УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА Российский патент 1999 года по МПК G01N1/22 G01N33/00 

Изобретение относится к различным технологическим процессам и может быть использовано для химического анализа окиси углерода.

Известен стационарный кулонометрический газоанализатор "Палладий - М" (Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны: справ. изд. /С. И.Муравьева, М.И.Буковский, Е.К.Прохорова и др. -М.: Химия, 1991, 386 с. ). Предназначен газоанализатор для автоматического контроля содержания окиси углерода в воздухе, выпускается промышленностью в шести исполнениях, различающихся по числу каналов измерения и по защищенности от воздействия окружающей среды (в обыкновенном и взрывозащитном исполнениях).

Недостатком данного устройства является то, что его нельзя использовать в переносном варианте для оперативного определения концентрации углекислого газа в воздушной среде, что сокращает область применения прибора. Кроме этого техническая сложность прибора снижает его надежность и затрудняет обслуживание.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому устройству является газоанализатор "Палладий - 2М", предназначенный для измерения окиси углерода в атмосферном воздухе. Он применяется как в стационарных условиях, так и в условиях передвижных лабораторий. Принцип работы газоанализатора основан на методе потенциометрической амперометрии, заключающемся в измерении тока электрической ячейки. (Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны: справ. изд. /С.И.Муравьева, М.И.Буковский, Е.К.Прохорова и др. -М.: Химия, 1991, 386 с.).

Этот газоанализатор состоит из газового и измерительных блоков. Блоки установлены в одном корпусе. 3 газовом блоке размещены элементы газоподготовки и электрохимическая ячейка. В измерительном блоке расположена электронная схема, с помощью которой обеспечивается потенциостатический режим электрохимической ячейки и измерение тока электрохимического окисления окиси углерода. В газовом баллоне установлены фильтр воздуха, химический фильтр, электрохимическая ячейка, побудитель расхода газа и увлажнитель. В измерительном блоке установлены блоки питания, потенциостат, отсчетное устройство и трансформатор.

Недостатком данного устройства является его техническая сложность, что не позволяет использовать газоанализатор в переносном варианте для оперативного определения концентрации углекислого газа в воздушной смеси. Кроме этого техническая сложность прибора снижает его надежность и затрудняет обслуживание.

Решаемой задачей и целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, обеспечивающее оперативное определение концентрации окиси углерода в воздушной смеси, обеспечивающее повышение надежности, облегчение его эксплуатации и снижение технической сложности устройства.

Решаемая задача достигается тем, что предлагаемый универсальный прибор для определения окиси углерода дополнительно снабжен блоком (патроном) с химическим сорбентом, установленном в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха, съемный блок (патрон) снабжен съемными сетками на семь отделений, в первое, третье и седьмое отделения помещен хлористый кальций, в пятое - гидрат окиси натрия, а в шестом отделении установлен первый датчик температуры, первый электрический вход которого подключен к источнику тока, а второй электрический выход первого датчика температуры соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры, установленным в заборном патрубке перед съемным блоком (патроном), причем точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена электрическими выходами показателя концентрации окиси углерода и электрическими выходами первого, второго и третьего пороговых устройств, при этом электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи к входу первой сигнальной лампы, а электрический выход второго устройства подключен к управляемому входу первого ключа и через третий ключ к входу второй сигнальной лампы и первому электрическому входу элемента ИЛИ, электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего ключей и подключен и выходу третьей сигнальной лампы, ко второму электрическому выходу элемента ИЛИ и к звуковому излучателю, при этом электрические выхода первой, второй и третьей сигнальных ламп объединены с электрическим выходом указателя окиси углерода, вторым электрическим выходом второго датчика температуры и заземлены, а электрический выход элемента ИЛИ соединен с управляемым выходом электровентилятора.

Новые существенные признаки:
1. Универсальный прибор для определения окиси углерода дополнительно снабжен съемным блоком (патроном) с химическим сорбентом, установленным в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха;
2. Съемный блок (патрон) снабжен съемными сетками на семь отделений, в первое, третье и седьмое отделения помещен хлористый кальций, в пятое - гидрат окиси натрия;
3. В шестом отделении съемного блока (патрона) установлен первый датчик температуры;
4. Первый электрический вход первого датчика температуры подключен к источнику тока, а второй выход соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры, установленным в заборном патрубке перед съемным блоком (патроном), при этом второй электрический выход второго датчика температуры заземлен;
5. Точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическим выходом указателя концентрации окиси углерода, электрический выход которого заземлен;
6. Точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры подключена к электрическим выходам первого, второго и третьего пороговых устройств, при этом электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи к выходу первой сигнальной лампы, а электрический выход второго порогового устройства подключен к управляемому входу первого ключа и через третий ключ ко входу второй сигнальной лампы электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего и подключен к выходу третьей сигнальной лампы; электрические выходы первой, второй и третьей сигнальной ламп заземлены;
7. Электрические выходы третьего ключа и третьего порогового устройства подключены соответственно к первому и второму электрическим выходам элемента ИЛИ, выход последнего электрически связан с электровентилятором;
8. Электрический выход третьего порогового устройства подключен к звуковому излучателю.

Применение предлагаемого устройства дает возможность осуществить:
1. Расширение функциональных возможностей устройства, обеспечивающего оперативное определение концентрации окиси углерода в воздушной смеси и снижение технической сложности устройства, обеспечивающего повышение надежности и облегчение эксплуатации за счет установки в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха съемного блока (патрона) с химическим сорбентом, при этом внутренняя полость съемного блока (патрона) разделена сетками на семь отделений, в первое, третье и шестое отделения помещен хлористый кальций, во второе - катализатор> в четвертое - гидрат окиси натрия, в пятое - гидрат окиси кальция, а в шестом отделении установлен первый датчик температуры, первый электрический вход которого подключен к источнику тока, а второй электрический выход первого датчика температуры соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры, установленным в заборном патрубке перед съемным блоком (патроном), причем точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическим входом указателя концентрации окиси углерода, электрический выход последнего заземлен, что позволяет изменять разность температур воздушной смеси до попадания в съемный блок (патрон); и в первом отделении съемного блока (патрона) воздушная смесь освобождается от паров воды, а во втором находящаяся в воздушной смеси окись углерода CO, проходя через катализатор, окисляется до двуокиси углерода CO₂ с выделением теплоты, в четвертом и пятом отделениях оставшаяся после второго блока двуокись CO₂ вступает в экзотермическую реакцию с гидратом окиси натрия и гидратом окиси кальция (NaOH; Ca(OH)₂), в результате реакции дополнительно выделяется теплота; увеличившаяся температура смеси воздуха преобразуется первым датчиком температуры в электрический сигнал, который будет зависеть от количества теплоты, выделенной в съемном блоке (патроне), а следовательно, и от концентрации углекислого газа, вступившего в экзотермическую реакцию с химическим сорбентом. Разность сигналов от первого и второго датчиков температуры поступает на указатель концентрации углекислого газа, проградуированный в мг/л или г/м³.

Точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическими выходами первого, второго и третьего пороговых устройств, при этом электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи ко входу первой сигнальной лампы, а электрический выход второго устройства подключен к управляемому входу первого ключа и через третий ключ ко входу второй сигнальной лампы, электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего ключей и подключен к выходу третьей сигнальной лампы, при этом электрические выходы первой, второй и третьей сигнальных ламп заземлены, что позволяет, настраивая первое, второе и третье пороговые устройства на разные уровни настроечного напряжения V₁ ^H, V₂ ^H, V₃ ^H включать сигнальные лампы при различной концентрации окиси углерода в воздушной смеси (например, "внимание", "опасно" или "смертельно"). Подключение электрического выхода третьего ключа к первому электрическому входу элемента ИЛИ (второй электрический вход которого связан со входом третьего порогового устройства, а вход элемента "ИЛИ" подключен к электровентилятору) позволяет при "опасной" или "смертельной" концентрации окиси углерода в воздушной смеси, при работе прибора в стационарном варианте, включать электровентилятор для проветривания помещения.

Подключение электрического выхода третьего порогового устройства к управляемому входу звукового излучателя (например, сирена) позволяет, при работе прибора в стационарном варианте, оповещать персонал о смертельной концентрации углекислого газа в воздушной смеси.

Вышеперечисленные признаки расширяют функциональные возможности устройства и позволяют оперативно определять и предупреждать об опасной концентрации окиси углерода в воздухе.

2. Упрощение конструкции или снижение технической сложности достигается за счет того, что универсальный прибор для определения окиси углерода дополнительно снабжен съемным блоком (патроном) с химическим сорбентом, установленным в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха; съемный блок (патрон) разделен сетками на семь отделений; в первое, третье и седьмое отделения помещен хлористый кальций, во второе - катализатор, в четвертое - гидрат окиси натрия, в пятое - гидрат окиси кальция, а в шестом отделении установлен первый датчик температуры, первый электрический выход которого подключен к источнику тока, а второй электрический выход первого датчика температуры соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры, установленным в заборном патрубке перед съемным блоком (патроном), причем точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическим входом указателя концентрации окиси углерода и электрическими входами первого, второго и третьего пороговых устройств, при этом электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи ко входу первой сигнальной лампы, а электрический выход второго порогового устройства подключен к управляемому входу первого ключа и, через третий ключ, ко входу второй сигнальной лампы и к первому электрическому входу элемента ИЛИ; электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего ключей и подключен ко входу третьей сигнальной лампы, ко второму электрическому входу элемента "ИЛИ" и к звуковому излучателю, при этом электрические выходы первой, второй и третьей сигнальных ламп объединены с электрическим выходом указателя окиси углерода, вторым электрическим выходом второго датчика температуры и заземлены, а электрический выход элемента "ИЛИ" может быть соединен с управляемым входом электровентилятора, что, как следствие, приводит к повышению надежности и снижению трудоемкости при эксплуатации.

Съемный блок (патрон) позволяет заменять химический сорбент после завершения срока его службы.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором представлено его схематичное изображение.

Прибор состоит из заборного патрубка 1, с одной стороны которого присоединен заборный конус 2, а с другой стороны - побудитель расхода воздуха 3 (например, электрический или механический вентилятор). Внутри заборного патрубка 1 между заборным конусом 2 и побудителем расхода воздуха 3 установлен съемный блок (патрон) 4 с химическим сорбентом. Внутренняя полость съемного блока (патрона) 4 разделена сетками 5 на семь отделений. В первом 6, третьем 7 и шестом 8 отделениях помещен хлористый кальций, во втором отделении 9 находится катализатор (окись меди CuO - 40% и двуокиси марганца MnO₂ - 60%), в четвертом отделении 10 помещен гидрат окиси натрия NaOH, в пятом отделении 11 - гидрат окиси кальция Ca(OH)₂). В шестом отделении 12 установлен первый датчик температуры 13. Первый электрический выход первого датчика температуры 13 подключен к источнику тока U_п, а второй объединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры 14, установленного в заборном патрубке 1 перед съемным блоком (патрубком) 4. Точка соединения электрических выходов первого 13 и второго 14 датчиков температуры подключена к электрическому входу указателя концентрации окиси углерода 15 и электрическим входам первого 16, второго 17 и третьего 18 пороговых устройств. Электрический выход первого порогового устройства 16 подключен через последовательно соединенные первый 19, второй 20 ключи (например, транзисторные) ко входу первой сигнальной лампы 21. Электрический выход порогового устройства 17 подсоединен к уловляемому входу первого ключа19 и через третий ключ 22 ко входу второй сигнальной лампы 23 и к первому электрическому входу элемента ИЛИ 24. Электрический выход третьего порогового устройства 18 подключен к управляемым входам второго 20 и третьего 22 ключей, ко входу третьей сигнальной лампы 25 и ко второму электрическому входу элемента ИЛИ 24. Электрический выход третьего порогового устройства 18 кроме того предназначен для подключения к звуковому излучателю 27. Электрические выходы первой 21, второй 23 и третьей 25 сигнальных ламп объединены с электрическим выходом указателя окиси углерода 15, вторым электрическим выходом второго датчика температуры 14 и заземлены. Электрический выход элемента ИЛИ 24 предназначен для подключения к управляемому входу электровентилятора 26.

Работает универсальный химический прибор для определения окиси углерода следующим образом.

При равенстве температур в заборном патрубке 1 и в съемном блоке (патроне) 4 электрический сигнал в точке соединения второго электрического выхода первого датчика температуры 13 и первого электрического выхода второго датчик температуры 14 будет равен нулю, поэтому на указатель концентрации окиси углерода (СО) 15: на первое 16, второе 17 и третье 18 пороговые устройства электрический сигнал поступать не будет. Первое 16, второе 17 и третье 18 пороговые устройства настроены на разные уровни электрического напряжения. Первое пороговое устройство 16 настроено на уровень электрического сигнала V₁ ^H, соответствующий концентрации окиси углерода, на которую следует обратить внимание. Второе пороговое устройство 17 настроено на уровень сигнала V₂ ^H, соответствующий опасной концентрации окиси углерода. Третье пороговое устройство 18 настроено на уровень сигнала V₃ ^H, соответствующий смертельной концентрации окиси углерода в воздушной смеси.

Для определения концентрация окиси углерода в воздушной смеси побудителем расхода 3 (на пример, механическим или электрическим вентилятором) создается поток воздушной смеси через заборный конус 2, заборный патрубок 1 и съемный блок 4. Известно, что основными компонентами воздушной смеси могут быть: окись углерода CO, кислород O₂, пары воды H₂O, двуокись углерода CO₂, азот N₂(CO + O₂ + H₂O + CO₂ + N₂ и т.д.), проходя через химический сорбент, находящийся в съездом блоке (патроне) 4, компоненты воздушной смеси вступают с ним в реакцию. Хлористый кальций CaCl₂, находящийся в первом 6, третьем 7 и седьмом 8 отделениях съемного блока (патрона), защищает катализатор второго отделения 9 от "отравления" парами воды H₂O,
В первом отделении 6 пары воды H₂O вступают в химическую реакцию с хлористым кальцием CaCl₂:
H₂O + CaCl₂ ---> Ca(OH)₂ + 2HCl,
что, как следствие, приводит к тому, что из воздушной смеси удаляется влага и защищается катализатор от "отравления".

Из первого отделения 6 воздушная смесь поступает во второе отделение 9 съемного блока (патрона) 4, в котором находится катализатор, состоящий из 40% окиси меди CuO и 60% двуокиси марганца MnO₂.

Под действием катализатора окись углерода CO вступает в химическую реакцию с кислородом O₂ воздуха, окисляясь до двуокиси углерода CO₂ с выделением теплоты Q.

В четвертом отделении 10 съемного блока (патрона) 4 двуокись углерода CO₂ вступает в химическую реакцию с гидратом окиси натрия NaOH, при этом происходит следующая реакция с выделением 28 ккал теплоты.

2NaOH + CO₂ ---> Na₂CO₃ + H₂O + 28 ккал.

Аналогичная реакция с выделением 18,9 ккал теплоты происходит в пятом отделении 11 съемного блока (патрона) 4.

Ca(OH)₂ + CO₂ ---> CaCO₃ + H₂O + 18,9 ккал.

Хлористый кальций CaCl₂, находящийся в третьем отделении 7 съемного блока (патрона) 4, препятствует проникновению во второе отделение 9 H₂O, выделившейся в результате последних двух химических реакций.

Теплота химических реакций нагревает шестое отделение 12 съемного блока (патрона) 4, а вместе с ним и первый датчик температуры 13. Из-за разности температур, измеряемых первым 13 и вторым 14 датчиками, на входе указателя концентрации окиси углерода 15 образуется электрический потенциал, пропорционально которому отклоняется стрелка. Шкала указателя концентрации окиси углерода 15 отградуирована в единицах концентрации (например, мг/л; г/м³). Чем больше концентрация окиси углерода в воздушной смеси, тем больше выделяется теплоты в результате химических реакций в съемном блоке (патроне) 4 и, следовательно, выше потенциал на электрическом входе указателя концентрации 15 и на электрических входах первого 16, второго 17 и третьего 18 пороговых устройств. При незначительной концентрации окиси углерода в анализируемой воздушной смеси электрический сигнал, превысив настроечное пороговое напряжение V₁ ^H, проходит через первый 19 и второй 20 ключи и включает первую сигнальную лампу 21 (например, "внимание"). При повышенной концентрации окиси углерода CO в воздушной смеси электрический потенциал в точке соединения электрических выходов первого 13 и второго 14 датчиков температуры повышается до уровня порогового напряжения V₂ ^H второго порогового устройства 17. Электрический сигнал с выхода второго порогового устройства 17 поступает на управляющий вход первого ключа 19. При этом первый ключ 19 закрывается и электрический сигнал с выхода первого порогового устройства 16 не проходит на выход первого ключа 19. Со второго порогового устройства 17 электрический сигнал проходит через третий ключ 22, чем включается вторая сигнальная лампа 23 (например, "опасно"). При работе в стационарных условиях электрический сигнал с выхода третьего ключа поступает на первый вход элемента ИЛИ 24, включая электровентилятор 26 для проветривания помещения. При высокой концентрации окиси углерода в анализируемой воздушной смеси электрический сигнал, поступающий на входы пороговых устройств, повышается до уровня V₃ ^H срабатывания третьего порогового устройства 18. Электрическим сигналом с выхода третьего порогового устройства 18 закрывается второй 20 и третий 22 ключи, чем отключаются первая 21 и вторая 23 сигнальные лампы, этим же сигналом включается третья сигнальная лампа 25 (например, "смертельно"). При работе в стационарном варианте электрическим сигналом с выхода третьего порогового устройства 18 через элемент ИЛИ 24 включается электровентилятор 26 для проветривания помещения и включается звуковой излучатель 27 (например, сирена).

В переносном варианте универсальный прибор для определения окиси углерода может быть использован для определения CO в выхлопных газах транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания.

Состав химсорбента и использованные в заявленном приборе реакции находят свое практическое применение в гопкалитовом патроне и изолирующих противогазах (ИП-4) в "РП". Съемный блок (патрон) 4 позволяет заменять химический сорбент после завершения срока его службы.

Прибор содержит заборный патрубок, с одной стороны которого присоединен заборный конус. С другой стороны патрубка расположен побудитель расхода воздуха. Прибор содержит указатель концентрации окиси углерода и первую, вторую, третью сигнальные лампы, съемный блок, заполненный химическим сорбентом, установленным в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха. Съемный блок разделен сетками на сеть отделений. В первое, третье и седьмое отделения помещен хлористый кальций. Во второе отделение - катализатор, в четвертое - гидрат окиси натрия, в пятое - гидрат окиси кальция, в шестом отделении помещен первый датчик температуры. Его первый электрический выход подключен к источнику тока, второй электрический выход соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры. Второй датчик температуры установлен в заборном патрубке перед съемным блоком. Точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическим входом указателя концентрации окиси углерода и электрическими выходами первого, второго и третьего пороговых устройств. Электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи к входу первой сигнальной лампы. Электрический выход второго порогового устройства подключен к управляемому входу первого ключа и через третий ключ к входу второй сигнальной лампы и к первому электрическому входу элемента ИЛИ. Электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего ключей и подключен к входу третьей сигнальной лампы, к второму электрическому входу элемента ИЛИ и к звуковому излучателю. Электрические выходы первой, второй и третьей сигнальных ламп объединены с электрическим выходом указателя окиси углерода, вторым электрическим выходом второго датчика температуры и заземлены. Электрический выход элемента ИЛИ соединен с управляемым входом электровентилятора. Устройство имеет простую конструкцию, надежно в эксплуатации и позволяет оперативно определять концентрацию окиси углерода в воздушной смеси. 1 ил.

Универсальный химический прибор для определения окиси углерода, состоящий из заборного патрубка, с одной стороны которого присоединен заборный конус, а с другой стороны - побудитель расхода воздуха, и содержащий указатель концентрации окиси углерода, а также первую, вторую и третью сигнальные лампы, отличающийся тем, что прибор дополнительно снабжен съемным блоком, заполненным химическим сорбентом, установленным в заборном патрубке между заборным конусом и побудителем расхода воздуха, при этом съемный блок разделен сетками на семь отделений, причем в первое, третье и седьмое отделения помещен хлористый кальций, во второе - катализатор, а четвертое - гидрат окиси натрия, в пятое - гидрат окиси кальция, а в шестом отделении размещен первый датчик температуры, первый электрический выход которого подключен к источнику тока, а его второй электрический выход соединен с первым электрическим выходом второго датчика температуры, установленным в заборном патрубке перед съемным блоком, причем точка соединения электрических выходов первого и второго датчиков температуры соединена с электрическим входом указателя концентрации окиси углерода и электрическими входами первого, второго и третьего пороговых устройств, при этом
электрический выход первого порогового устройства подключен через последовательно соединенные первый и второй ключи к входу первой сигнальной лампы, а электрический выход второго порогового устройства подключен к управляемому входу первого ключа и через третий ключ к входу второй сигнальной лампы и к первому электрическому входу элемента ИЛИ, электрический выход третьего порогового устройства соединен с управляемыми входами второго и третьего ключей и подключен к входу третьей сигнальной лампы, к второму электрическому входу элемента ИЛИ и к звуковому излучателю, при этом электрические выходы первой, второй и третьей сигнальных ламп объединены с электрическим выходом указателя окиси углерода, вторым электрическим выходом второго датчика температуры и заземлены, а электрический выход элемента ИЛИ соединен с управляемым входом электровентилятора.