СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ Российский патент 2000 года по МПК G01N27/16 

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, см. , авт. св. СССР N 1286985 от 8.02.1985 по кл. G 01 N 27/16.

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, см. авт. св. СССР N 1711061 от 10.03.1989 по кл. G 01 N 27/16.

Этот способ, принятый за прототип настоящего изобретения, более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом по авт. св. СССР N 1286985. Однако весьма серьезным недостатком способа-прототипа 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 (% НКПРП), 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 % НКПРП только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше в качестве прототипа способу по авт. св. СССР N 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 (копия прилагается), 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 150х55х188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78х142х26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такого способа определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечил бы возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе; кроме того, решается задача увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что должно увеличить время непрерывной работы приборов, реализующих способ.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающемся 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 от τ₀ дo 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 горючих газов в кислородосодержащей среде. Для компенсации влияния изменения температуры этой среды определяют ряд значений коэффициента K при различных температурах кислородсодержащей среды в диапазоне от -70^oC до +70^oC, аппроксимируют полученные значения коэффициента K в виде прямой и определяют поправочный коэффициент β, равный величине тангенса угла α наклона этой прямой, затем определяют значение:

где R0t1-2τ2

- расчетное значения сопротивления ТКЭ в момент временит τ в диапазоне температур от -70^oC до +70^oC;
K^tc - значение коэффициента K при выбранной постоянной температуре из диапазона от -70^oC до +70^oC;
Rtcτ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ при выбранной постоянной температуре диапазона от -70^oC до +70^oC;
Rt1-2τ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ в диапазоне температур от -70^oC до + 70^oC;
β - поправочный коэффициент.

Далее определяют значение
ΔRt1-2τ2

= Rt1-2τ2-R0t1-2τ2,
где ΔRt1-2τ2 - величина приращения сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ вследствие реакции окисления;
ΔRt1-2τ2 измеренное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ_2/ по величине ΔRt1-2τ2 судят о концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде при температурах, изменяющихся от - 70^oC до +70^oC.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличий заявленного изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения) обусловливает важные новые свойства объекта изобретения:
- обеспечение возможности определения интегральной взрывоопасности газовых сред, включающих несколько компонентов, значительно отличающихся по своей молекулярной массе;
- исключение необходимости осуществления нагрева ТКЭ в ударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора и продление тем самым срока службы ТКЭ; возможность использования только одного ТКЭ и исключение необходимости непрерывного режима питания, что позволяет уменьшить энергопотребление и увеличить время непрерывной работы приборов, реализующих способ;
- возможность компенсировать влияние изменения температуры окружающей среды на значение коэффициента K и снизить предел основной относительной погрешности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде с ± 20 % до ± 7,5%.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

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;
на фиг. 4 - график зависимости коэффициента K от температуры.

Термокаталитический элемент 1 помещен в измерительную камеру 2, выполненную в конкретном примере в виде сетчатого корпуса. 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, обеспечивающим подачу импульсов тока на ТКЭ в заданные моменты времени. Величина импульсов тока задается генератором 3. С ТКЭ на вход контроллера поступают электрические сигналы, содержащие информацию о текущем значении сопротивления ТКЭ. Контроллер 4 снабжен дисплеем 5.

Способ реализуют следующим образом. Предварительно измеряют значение сопротивления ТКЭ в момент времени в интервале от τ₀ до τ₁ (см. фиг. 2). При этом τ₀ - момент времени да начала подачи импульса электрического тока на ТКЭ, τ₁ - момент времени до начала реакции у окисления горючих газов на поверхности ТКЭ. Также предварительно измеряют значение сопротивления в момент времени в интервале от τ₁ до τ₂, где τ₂ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, в этот момент прекращают подачу импульса электрического тока на ТКЭ. Определив предварительно , определяют постоянный коэффициент этот коэффициент определяют однократно, он отражает свойства конкретного ТКЭ: омическое сопротивление и геометрические размеры.

При настройке контроллера в него вводят значения этого коэффициента, а также значения τ₁ и τ₂. Кроме того, задают τ₀ - момент времени, соответствующий началу следующего импульса.

Далее определяют текущее значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁, а также текущее значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂. После этого определяют значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂, которое соответствует отсутствию в кислородосодержащей среде горючих газов и Эти вычисления осуществляются в контроллере 4. Величина прямо пропорциональна интегральной концентрации C горючих газов в камере 1 и, соответственно, в анализируемой окружающей среде. Значение C отображается на дисплее 5.

В случае изменения температуры кислородосодержащей среды в широких пределах (от -70^oC до +70^oC) возникает необходимость компенсации влияния этого изменения на значение коэффициента K. Для этого экспериментально определяют ряд значений K при различных температурах в указанном выше диапазоне. В конкретном примере определяли значения коэффициента К при температурах: -70^oC, -55^oC, -20^oC, 0^oC, +20^oC, +45^oC, +70^oC. Затем аппроксимировали полученные значения коэффициента K прямой и определяли поправочный коэффициент β, равный величине тангенса угла наклона этой прямой, затем определяют значение:

где R0t1-2τ2

- расчетное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ в диапазоне температур от -70^oC до +70^oC;
K^tc - значение коэффициента K при выбранной постоянной температуре из диапазона от -70^oC до +70^oC;
Rtcτ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ при выбранной постоянной температуре диапазона от -70^oC до +70^oC;
Rt1-2τ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ в диапазоне температур от -70^oC до +70^oC;
β - поправочный коэффициент.

Далее определяют значение
ΔRt1-2τ2

= Rt1-2τ2-R0t1-2τ2/ ,
где ΔRt1-2τ2 - величина приращения сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ вследствие реакции окисления;
Rt1-2τ2 - измеренное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂,
и по величине ΔRt1-2τ2 судят о концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде при температурах, изменяющихся от -70^oC до +70^oC.

Поскольку при реализации заявленного способа нагрев ТКЭ производят до возникновения нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, исключается разброс крутизны градуировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в % НКПРП при различной молекулярной массе анализируемых газов (фиг. 3). Это объясняется тем, что исключается образование каталитически активных веществ, являющихся продуктами разложения анализируемого газа, и обусловливаемое этим быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, приводящее к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ.

Поскольку значение не зависит от концентрации горючих газов, исключается необходимость использования второго (эталонного) ТКЭ. Это же обстоятельство позволяет исключить дрейф нулевого значения сигнала от ТКЭ.

Так как начальное значение импульса тока равно нулю, в интервале между импульсами ток также равен нулю, и питание отключено. Благодаря этому, а также в связи с использованием только одного ТКЭ, энергопотребление значительно уменьшается, что позволяет создавать на базе данного способа портативные приборы с большим временем непрерывной работы.

Введение поправочного коэффициента β позволяет компенсировать влияние изменения температуры окружающей среды на значение коэффициента K и снизить предел основной относительной погрешности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде с ± 20% до ±7,5%.

Для реализации заявленного способа используется обычная несложная элементарная база и стандартное сборочное оборудование, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к области анализа газовых сред. Сущность: термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени в интервале τ₀ - 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 в момент времени в интервале τ₁ - 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 времени τ₁ и текущее значение 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 горючих газов в кислородосодержащей среде. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, увеличении срока службы термокаталитических элементов и уменьшении энергопотребления. Для компенсации влияния температуры определяют ряд значений коэффициента К при различных температурах кислородосодержащей среды в диапазоне (-70)-(+70)^oС, аппроксимируют полученные значения коэффициента К в виде прямой и определяют поправочный коэффициент β. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения концентрации горючих газов в кислородсодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, отличающийся тем, что предварительно измеряют значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени в интервале τ₀ - 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 τ₁ - 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 и текущее значение сопротивления термокаталитического элемента в моменты времени τ₂, определяют значение сопротивления термокаталитического элемента в момент времени τ₂ при отсутствии в кислородсодержащей среде горючих газов, затем определяют и по величине судят о значении концентрации горючих газов в кислородсодержащей среде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют ряд значений коэффициента К при различных температурах кислородсодержащей среды в диапазоне (-70) (+70)^oC, аппроксимируют полученные значения коэффициента К в виде прямой и определяют поправочный коэффициент β, равный величине тангенса угла наклона этой прямой, затем определяют значение

где R0t1-2τ2

расчетное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ в диапазоне температур (-70) (+70)^oC;
K^tc - значение коэффициента K при выбранной постоянной температуре из диапазона (-70) (+70)^oC;
Rtcτ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ при выбранной постоянной температуре диапазона (-70) (+70)^oC;
Rt1-2τ1 - значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ₁ в диапазоне температур (-70) (+70)^oC;
β - поправочный коэффициент,
и далее определяют значение
ΔRt1-2τ2 = Rt1-2τ2-R0t1-2τ2,
где ΔRt1-2τ2 - величина приращения сопротивления ТКЭ в момент времени τ₂ вследствие реакции окисления;
ΔRt1-2τ2 измеренное значение сопротивления ТКЭ в момент времени τ_2/ и по величине ΔRt1-2τ2 судят о концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде при температурах, изменяющихся от -70^oC до +70^oC.