ГАЗОАНАЛИЗАТОР ВОДОРОДА Российский патент 2004 года по МПК G01N27/04 

Изобретение относится к средствам контроля состава газовых смесей и может быть использовано преимущественно для контроля наличия водорода в атмосфере производственных цехов промышленных предприятий, например в помещениях под защитной оболочкой атомных электрических станций (АЭС).

Известен газоанализатор водорода института автоматики и электроники СО РАН, основанный на измерении электрической емкости структуры металл - диэлектрик - полупроводник, зависящей от объемного содержания водорода в газовой смеси. Этот газоанализатор имеет ограниченный диапазон измерения и ограниченный температурный диапазон работы в силу свойств полупроводниковой структуры чувствительного элемента. Кроме того, полупроводниковая структура не выдерживает условий интенсивного радиационного облучения, которое может иметь место на АЭС.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является газоанализатор водорода типа WS 85 фирмы SIEMENS. Газоанализатор WS 85 содержит чувствительный элемент в виде керамической основы, на которой нанесен слой активированной платины. Чувствительный элемент помещен в рабочую камеру с пористой стенкой, проницаемой для газа, и измерителем температуры в камере. Принцип действия рассматриваемого газоанализатора заключается в каталитическом сжигании водорода в воздухе и измерении теплового эффекта реакции, который зависит от концентрации водорода.

Недостатком каталитического газоанализатора является необходимость присутствия в анализируемой атмосфере достаточного количества кислорода для полного сжигания водорода, что не всегда выполнимо. В частности, при аварийных ситуациях на АЭС воздух может замещаться другими газами и водяным паром. В этих условиях рассматриваемый газоанализатор оказывается неработоспособным. В то же время, основным назначением газоанализаторов водорода для АЭС как раз и является контроль водорода при проектных и запроектных авариях, когда возможно накопление водорода до взрывоопасной концентрации.

Целью предлагаемого изобретения является преодоление недостатков известных устройств и создание газоанализатора, способного измерять концентрацию водорода в окружающей атмосфере в широком диапазоне вплоть до 100% при высоких температурах и наличии в измеряемой среде посторонних газов, водяного пара, источников радиоактивного излучения.

Для решения поставленной задачи предлагается в качестве чувствительного элемента газоанализатора использовать проводник из палладия или его сплава с серебром, который обладает способностью избирательно поглощать водород из окружающей газовой смеси и изменять при этом свое электросопротивление. Поглощение палладием водорода - процесс обратимый при температурах более 170°С, относительное изменение сопротивления чувствительного элемента пропорционально парциальному давлению водорода в смеси. Поскольку сплав палладия изменяет свое электросопротивление не только при поглощении водорода, но и при изменении температуры окружающего газа, то температура рабочей камеры чувствительного элемента должна стабилизироваться с высокой точностью, причем температура должна быть одинаковой во всех точках рабочей камеры, в противном случае, при изменении расхода анализируемого газа или его температуры на входе в датчик, будет иметь место изменение температурного поля в камере, что приведет к погрешности показаний газоанализатора.

Таким образом, предлагаемый газоанализатор должен содержать чувствительный элемент, помещенный в термостабилизированную обогреваемую камеру, измеритель сопротивления чувствительного элемента, систему регулирования температуры камеры. Кроме того, конструкция датчика должна обеспечивать непрерывную подачу анализируемого газа к чувствительному элементу.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.

Датчик газоанализатора состоит из несущего трубчатого корпуса 1, внутри которого расположена рабочая камера 2 с чувствительным элементом, состоящим из электроизоляционного основания 3, на котором намотан проводник 4 из палладиевого сплава. С помощью соединительных проводов 5 проводник 4 подключен к электронному блоку 6. Внутри корпуса 1 во входной его части установлен подогреватель газа 7, выполненный в виде теплопроводного вкладыша с каналами 9 для подвода анализируемого газа. В выходной части корпуса 1 размещен тепловой экран 8, также выполненный в виде теплопроводного вкладыша с каналами 9 для отвода газа.

Снаружи корпуса 1 равномерно намотан нагреватель 10, например, из нагревательного жаростойкого кабеля с минеральной изоляцией типа КНМС, на который наложена теплоизоляция 11, закрытая снаружи кожухом 12. Температура корпуса 1 в зоне рабочей камеры 2 измеряется термопарой 13.

При другом конструктивном исполнении нагреватель может быть изготовлен в виде тонкостенной трубчатой конструкции с запресованной внутри нагревательной спиралью. Нагреватель плотно вставляется внутрь корпуса 1, а затем также плотно внутри нагревателя фиксируются подогреватель газа 7 и тепловой экран 8. Очевидно, в этом случае диаметры подогревателя газа 7 и теплового экрана 8 должны быть меньше внутреннего диаметра корпуса 1 на величину толщины стенки трубчатого нагревателя. Второй вариант нагревателя сложнее в изготовлении, но потребляет из сети меньшую мощность для получения необходимой температуры в рабочей камере 2.

Устройство работает следующим образом. Датчик крепится вертикально входным каналом вниз. За счет повышенной температуры газа внутри корпуса 1 осуществляется естественная циркуляция газа через каналы 9 подогревателя газа 7, рабочую камеру 2 с чувствительным элементом и далее через каналы 9 теплового экрана 8 на выход датчика. Таким образом осуществляется доставка анализируемой газовой смеси к проводнику 4 чувствительного элемента. При наличие в смеси водорода сопротивление проводника 4 увеличивается, причем прирост сопротивления пропорционален парциальному давлению водорода, и этот прирост фиксируется электронным блоком 6, содержащим прецизионную схему измерения электросопротивления. Заданная температура в рабочей камере 2 обеспечивается нагревателем 10, закрепленном на корпусе 1 в зоне расположения подогревателя 7, рабочей камеры 2 экрана 8. Постоянная плотность намотки нагревателя 10 для первого варианта нагревателя или постоянный шаг запрессованной спирали для второго варианта обеспечивают равномерное тепловыделение по всей его длине, что является одним из условий создания равномерного температурного поля во всем объеме камеры 2. Другим условием обеспечения равномерного температурного поля является достаточная длина подогревателя газа 7 и теплового экрана 8. В этом случае из камеры 2 не будет осевого теплового потока к холодным концам корпуса 1, соответственно будет отсутствовать градиент температур вдоль оси камеры 2 и обеспечено высокоточное термостатирование чувствительного элемента, состоящего из изолятора 3 и рабочего проводника 4. Практически, для обеспечения необходимого постоянства температуры во всем объеме рабочей камеры, длины подогревателя газа 7 и теплового экрана 8 должны составлять не менее 4-6 их диаметров, а длина обогреваемого участка корпуса 1 должна быть не менее 8-10 его диаметров. Указанные длины подогревателя 7, экрана 8 и обогреваемого участка корпуса 1 обеспечивают прогрев анализируемого газа в зоне рабочей камеры 2 до той же температуры, что и окружающие элементы конструкции датчика, если суммарная площадь сечения каналов 9 будет составлять не более 25% от площади сечения соответственно подогревателя 7 и экрана 8. В противном случае расход газа через датчик будет достаточно большим, и газ не успеет прогреться до равновесной температуры.

Заданная величина температуры в камере 2 обеспечивается системой автоматического регулирования, содержащей термопару 13, подключенную к электронному регулятору 14, и нагреватель 10 на корпусе 1. Для уменьшения тепловых потерь от нагревателя 10 в окружающую среду он закрыт теплоизоляцией 11, снаружи вся конструкция закрыта защитным кожухом 12.

Использование предполагаемого изобретения позволит создать газоанализатор водорода с высокими метрологическими характеристиками, способный работать на промышленных предприятиях с жесткими условиями эксплуатации, в частности на АЭС.

Разработка газоанализатора связана с требованиями обеспечения водородной взрывобезопасности атомных станций.

Изобретение относится к средствам измерения состава газовых смесей и может быть использовано для контроля газовой атмосферы в помещениях промышленных предприятий с опасными условиями производства, в частности для обеспечения водородной взрывобезопасности под защитной оболочкой АЭС. Сущность: газоанализатор содержит датчик с чувствительным элементом, измеритель сопротивления чувствительного элемента и регулятор температуры рабочей камеры датчика. Датчик выполнен в виде удлиненного трубчатого корпуса, установленного вертикально входным отверстием вниз. Внутри корпуса установлены подогреватель газа и тепловой экран, выполненные в виде теплопроводных вкладышей с каналами для прохода газа. На корпусе размещен нагреватель, охватывающий зону подогревателя газа, рабочую камеру и тепловой экран. Технический результат: обеспечение возможности концентрации водорода в широком диапазоне вплоть до 100% при высоких температурах и наличии в измеряемой среде посторонних газов, водяного пара, источников радиоактивного излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газоанализатор водорода, содержащий чувствительный элемент, помещенный в корпус с обогреваемой рабочей камерой, измеритель сопротивления чувствительного элемента и регулятор температуры камеры, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде удлиненной, вертикально расположенной входным отверстием вниз трубы, внутри корпуса на входе и выходе рабочей камеры установлены соответственно подогреватель газа и тепловой экран, выполненные в виде теплопроводных вкладышей с каналами для прохода газа, а на корпусе закреплен нагреватель, охватывающий зоны размещения подогревателя газа, рабочей камеры и теплового экрана, причем длины подогревателя газа и теплового экрана составляют не менее 4-6 их диаметров, длина обогреваемого участка корпуса составляет не менее 8-10 его диаметра, а суммарная площадь поперечного сечения каналов для прохода газа составляет не более 25% площади поперечного сечения соответственно подогревателя и экрана.2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен с постоянной по длине плотностью тепловыделения.3. Газоанализатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель размещен снаружи корпуса.4. Газоанализатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагреватель размещен внутри корпуса.