ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА Российский патент 2003 года по МПК G01N25/00 

Область техники
Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано при проектировании и изготовлении элементов тепловых газоанализаторов, в частности, чувствительных и сравнительных элементов термохимических (термокаталитических) газоанализаторов.

Предшествующий уровень техники
Известны чувствительные элементы термокаталитических датчиков горючих газов, выполненные в виде подогреваемой электрическим током спирали из проволоки, преимущественно платиновой, которая покрыта γ-окисью алюминия. Чувствительные элементы выполнены в виде тела вращения (шарика, эллипсоида) и помещены в камеры. Реакционная камера, в которую помещен рабочий чувствительный элемент, выполнена с возможностью захода в нее анализируемой среды, например, пористой (см. , например, Цибизов В.А. "Контроль взрывоопасной атмосферы предприятий с нефтегазопроявлениями", М., ИПКОН АН СССР, 1988, с. 92).

Эти чувствительные элементы имеют сравнительно большие габариты, а следовательно, и потребляемую мощность. Для уменьшения габаритов чувствительного элемента и потребляемой им мощности при изготовлении спирали используют микропровод, например, с платиновой проводящей жилой в кварцоидной изоляции (см., например, Карпов Е.Ф. "Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана", М., Наука, 1981, с.29-30). К недостаткам таких элементов следует отнести то, что из-за достаточно высокой упругости жилы микропровода при нагревании спирали трудно обеспечить стабильность геометрических размеров чувствительного элемента, что резко снижает его прочностные характеристики, плохо сохраняется его первоначальная геометрическая форма. Все это приводит к нарушению стабильности теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента.

Наиболее близким к изобретению является чувствительный элемент газоанализатора, содержащий нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции, концы спирали соединены с держателями, установленными в корпусе чувствительного элемента (см., Карпов Е.Ф. и др. "Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы", М., Недра, 1984, с.35). Этому элементу присуши те же недостатки, что и элементу, описанному выше.

Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, повышение стабильности теплотехнических характеристик в широком диапазоне рабочих температур, оптимизация зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемых характеристик газовой среды.

Эта задача в изобретении решается за счет того, что в чувствительном элементе газоанализатора, содержащем нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции, а концы спирали соединены с держателями, установленными в корпусе чувствительного элемента, витки микропровода с внутренней и внешней поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем из материала изоляции, причем монолитный слой на внешней поверхности цилиндра выполнен с шероховатостью, большей, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней поверхности цилиндра.

Технический эффект, возникающий при этом, заключается в том, что обеспечивается стабильность геометрических размеров чувствительного элемента, хорошо сохраняется его первоначальная геометрическая форма, повышаются прочностные характеристики чувствительного элемента (и что очень важно и в диапазоне рабочих температур) и улучшается стабильность теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента, в том числе и при изготовлении его с нанесением на спираль γ-окиси алюминия или подобного вещества (носителя, катализатора и пр.).

Значительно облегчается достижение технического эффекта за счет того, что изоляция микропровода выполнена из материала, имеющего верхний температурный предел диапазона пластического состояния, равный или выше температуры плавления материала жилы микропровода.

При расположении чувствительного элемента со спиралью в камере поверхность нагрева расположена от стенки камеры на расстоянии, при котором зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемого параметра газовой среды оптимальна. Это позволяет еще больше повысить стабильность теплоэнергетических характеристик чувствительного элемента.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана нагревательная спираль чувствительного элемента газоанализатора; на фиг.2 - помещенный в камеру с пористыми стенками рабочий чувствительный элемент термокаталитического газоанализатора.

Лучший вариант осуществления изобретения
Чувствительный элемент газоанализатора содержит нагревательную спираль 1 в виде полого цилиндра 2. Цилиндр образован витками 3 литого микропровода, который представляет собой проводящую жилу 4 в стеклянной или стеклокерамической изоляции 5. Концы 6 спирали 1 соединены с держателями 7, установленными в корпусе 8 чувствительного элемента. Витки 3 микропровода с внутренней 9 и внешней 10 поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем 11 из материала изоляции 5. Монолитный слой на внешней 10 поверхности цилиндра имеет шероховатость большую, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней 9 поверхности цилиндра. Изоляция 5 микропровода выполнена из материала, имеющего верхний температурный предел диапазона пластического состояния, равный или выше температуры плавления материала жилы 4 микропровода.

На фиг. 2, где изображен рабочий чувствительный элемент термокаталитического газоанализатора, на нагревательную спираль 1 из платины нанесена γ-окись алюминия до образования шарообразного элемента 12. Поверхность этого элемента 12 покрыта катализатором из металлов платиновой группы. Чувствительный элемент со спиралью 1 расположен в камере 13 с пористыми стенками 14. Расстояние от поверхности нагрева чувствительного элемента от стенок 14 камеры 13 выбрано таким, при котором зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемого параметра газовой среды (например, содержание горючих газов в воздухе) оптимальна.

Работа чувствительного элемента поясняется на примере работы газоанализатора для определения содержания горючих газов (метана) в анализируемой воздушной среде. Камеру 13 помещают в анализируемую среду, которая через стенки 14 попадает на элемент 12, поверхность которого с помощью нагревательной спирали поддерживают при заданной температуре. Благодаря каталитическим свойствам элемента 12 горючий газ сгорает на поверхности элемента 12. Выделяется дополнительное тепло, тепловой эффект от которого фиксируют с помощью включения нагревательной спирали 1 в измерительную схему (например, мостовую). Таким образом, выходной сигнал чувствительного элемента зависит от количества горючих газов в анализируемой атмосфере.

Промышленная применимость
Согласно изобретению были изготовлены чувствительные элементы из микропровода диаметром 14 мкм в стеклянной изоляции. Диаметр платиновой жилы 8 мкм. Из этого микропровода получают намоткой вплотную двенадцати витков полый цилиндр. Витки микропровода соединяют между собой сплавлением до образования на внутренней и внешней поверхностях цилиндра монолитного слоя из материала изоляции. Спираль затем покрывают γ-окисью алюминия до получения шарика с диаметром 0,45 мм. Наружную поверхность шарика рабочего чувствительного элемента покрывают платино-палладиевым катализатором. Чувствительные элементы (рабочий и сравнительный) помещают в цилиндрическую камеру из пористой керамики с внутренним диаметром 4,5 мм и высотой 6 мм. Размеры камеры и соответственно расстояние от поверхности нагрева до стенок камеры брали из условия оптимальной зависимости выходного сигнала от измеряемого параметра газовой среды. При указанных выше размерах величина выходного сигнала составляла 80 мВ/об.% СН₄, а быстродействие 15 с в однопроцентной поверочной смеси СН₄ с воздухом. Указанные чувствительные элементы показали хорошие результаты, лучше, чем у известных ранее, при определении концентрации (утечек) метана в колодцах, газопроводах и в бытовых условиях (квартирах, котельных). Чувствительные элементы по изобретению дали возможность улучшить определение концентрации в газовой атмосфере и других горючих газов.

Элемент содержит нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции. Витки микропровода с внутренней и внешней поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем из материала изоляции. Монолитный слой на внешней поверхности цилиндра имеет шероховатость большую, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней поверхности цилиндра. Технический результат - повышение стабильности теплотехнических характеристик чувствительного элемента в широком диапазоне рабочих температур, оптимизирование зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемых характеристик газовой среды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Чувствительный элемент газоанализатора, содержащий нагревательную спираль в виде полого цилиндра, образованного витками литого микропровода, представляющего собой проводящую жилу в стеклянной или стеклокерамической изоляции, концы спирали соединены с держателями, установленными в корпусе чувствительного элемента, отличающийся тем, что витки микропровода с внутренней и внешней поверхностей цилиндра соединены между собой монолитным слоем из материала изоляции, причем монолитный слой на внешней поверхности цилиндра имеет шероховатость большую, чем шероховатость монолитного слоя на внутренней поверхности цилиндра. 2. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что изоляция микропровода выполнена из материала, имеющего верхний температурный предел диапазона пластического состояния равный или выше температуры плавления материала жилы микропровода. 3. Чувствительный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при расположении чувствительного элемента со спиралью в камере поверхность нагрева расположена от стенки камеры на расстоянии, при котором зависимость выходного сигнала чувствительного элемента от измеряемого параметра газовой среды оптимальна.