СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА И/ИЛИ ВОДОРОДА Российский патент 2005 года по МПК G01N27/16 

Изобретение относится к области анализа газовоздушных смесей с каталитическим окислением, а именно к способам измерения концентрации горючих газов в окружающей среде, и может быть использовано для индикации в системах взрывопредупреждения и контроля степени взрывоопасности объектов.

Известен способ анализа газовоздушной смеси с помощью термокаталитического датчика, включенного в мостовую измерительную схему (например, патент СССР №1831681, МПК G 01 N 27/16, публикация 1993 г.).

Известен способ измерения концентрации метана термокаталитическим датчиком, включающий циклическое измерение сигнала на каталитически активном чувствительном элементе и определение величины концентрации метана по значению разности сигналов, снимаемых в фиксированных по времени точках газообменного периода релаксации переходного процесса (патент РФ №2210762, МПК G 01 N 27/18, публикация 2003 г.).

Известен способ измерения двух газов (метан и водород) с помощью двух одинаковых датчиков, каждый из которых настроен и откалиброван на один из измеряемых газов (способ реализован в серийно выпускаемом измерителе концентрации газов ИКГ-5Р, Госреестр средств измерений №20866-01).

Известный способ измерения приводит к значительному увеличению энергопотребления и требует увеличения габаритов приборов, в которых используется данный способ.

Известен способ измерения двух газов (метан и водород) одним термокаталитическим датчиком, имеющим одинаковую чувствительность по метану и водороду (способ реализован в измерителе концентрации газов ИКГ-4Р, Госреестр средств измерений №17111-98).

К недостаткам известного способа, использующего один датчик с одинаковой чувствительностью по метану и водороду, относится то, что он не позволяет определить, какой газ обнаружен, кроме того, с течением времени изменение чувствительности по разным газам происходит неравномерно.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа измерения концентрации двух газов, содержащихся в газовоздушной смеси, использование которого позволяет снизить энергопотребление, упростить процедуру калибровки и повысить точность измерений, а также уменьшить габариты создаваемых на основе предлагаемого способа приборов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ измерения концентрации метана и/или водорода включает измерение сигнала на каталитическом активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации метана и/или водорода по величине сигнала выходного напряжения. Предварительно в режиме калибровки при напряжении питания Uм, обеспечивающем нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления метана, на чувствительный элемент поочередно подают поверочные газовые смеси водород-воздух и метан-воздух с содержанием водорода и метана в смесях Св_пов и См_пов соответственно, производят измерения текущих напряжений Uв_тек и Uм_тек и рассчитывают коэффициенты калибровки по водороду Кв и по метану Км соответственно по формулам Кв=Uв_тек/Св_пов и Км=Uм_тек/См_пов. Затем в режиме измерения запитывают чувствительный элемент поочередно напряжением Uв, обеспечивающим нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления водорода, и напряжением Uм, перед снятием которых производят измерение величин напряжения Uв_изм и Uм_изм, и при отношении Uм_изм/Uв_изм, большем заранее установленной величины коэффициента разделения по газу Е, определяют измеряемую концентрацию метана по формуле См_изм=Uм_изм/Км, а при отношении Uм_изм/Uв_изм, меньшем или равном величине коэффициента Е, определяют измеряемую концентрацию водорода по формуле Св_изм=Uв_изм/Кв.

Предложенный способ позволяет измерять два газа - метан и водород - с использованием одного датчика с независимой калибровкой по каждому из газов. Предложенный способ измерения основан на том, что реакция термокаталитического окисления для водорода происходит при существенно более низкой температуре, чем для метана. Варьирование температуры чувствительного элемента обеспечивается за счет изменения напряжения питания датчика.

Способ иллюстрируется структурной схемой газоанализатора, приведенной на чертеже.

На представленной схеме изображены: датчик 1, состоящий из чувствительного и компенсационного элементов; блок 2, обеспечивающий напряжение питания датчика в диапазоне 1-1,5 В и регулируемую длительность подаваемого напряжения; блок усиления 3 и микроконтроллер 4.

Предложенный способ измерения может быть проиллюстрирован следующим примером.

Способ измерения концентрации двух газов - метана и водорода - включает два режима: калибровки и измерения.

В режиме калибровки на датчик 1 подводится напряжение питания 1,5 В, которое обеспечивает нагрев используемого в данном примере каталитически активного чувствительного элемента (состоящего из подогревателя, выполненного из платиновой спирали с нанесенным на нее мелкодисперсным катализатором из металлов платиновой группы) до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления метана. Сначала на датчик подается поверочная газовая смесь (ПГС) водород-воздух с содержанием водорода, равным Св_пов, при этом на чувствительном элементе происходит каталитическая реакция с выделением тепла. В результате температура чувствительного элемента повышается, что приводит к изменению его сопротивления, которое изменяется пропорционально концентрации подаваемого газа. Полученный сигнал усиливается в блоке 3 и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 4, который измеряет величину текущего напряжения Uв_тек и производит расчет коэффициента калибровки по водороду Кв=Uв_тек/Св_пов. Затем подается ПГС метан-воздух с содержанием метана, равным См_пов, и аналогичным способом рассчитывается коэффициент калибровки по метану Км=Uм_тек/См_пов.

В режиме измерения датчик 1 вначале в течение 2 секунд запитывается напряжением 1 В, обеспечивающим нагрев используемого в данном примере чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления водорода. По окончании этого времени производится измерение величины напряжения Uв_изм. В течение последующих 2 секунд датчик 1 запитывается напряжением 1,5 В. По окончании этого времени производится измерение величины напряжения Uм_изм. При отношении Uм_изм/Uв_изм, большем коэффициента разделения по газу Е, численное значение которого для используемого каталитически активного чувствительного элемента, определенное опытным путем, равно 4, измеряемый газ определяют как метан и измеряемую концентрацию метана вычисляют по формуле См_изм=Uм_изм/Км. Если отношение Uм_изм/Uв_изм меньше или равно 4, то измеряемый газ определяется как водород и текущая концентрация водорода вычисляется по формуле Св_изм=Uм_изм/Кв.

В заявленном способе достигается высокая селективность измеряемых газов, независимая калибровка чувствительности по каждому из измеряемых газов, что позволяет упростить процедуру калибровки и повысить точность измерений.

Изобретение относится к способам измерения концентрации горючих газов в окружающей среде и может быть использовано для индикации в системах взрывопредупреждения и контроля степени взрывоопасности объектов. Технический результат изобретения: снижение энергопотребления, повышение точности измерений. Сущность: способ измерения концентрации метана и/или водорода включает измерение сигнала на каталитическом активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации метана и/или водорода по величине сигнала выходного напряжения. Предварительно в режиме калибровки при напряжении питания Uм, обеспечивающем нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления метана, на чувствительный элемент поочередно подают поверочные газовые смеси водород-воздух и метан-воздух и рассчитывают коэффициенты калибровки по водороду Кв и по метану Км. В режиме измерения запитывают чувствительный элемент поочередно напряжением Uв, обеспечивающим нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления водорода, и напряжением Uм, перед снятием которых производят измерение величин напряжения Uв_изм и Uм_изм, и при отношении Uм_изм/Uв_изм, большем заранее установленной величины коэффициента разделения по газу Е, определяют измеряемую концентрацию метана по формуле См_изм=Uм_изм/Км, а при отношении Uм_изм/Uв_изм, меньшем или равном величине коэффициента Е, определяют измеряемую концентрацию водорода по формуле Св_изм=Uв_изм/Кв. 1 ил.

Способ измерения концентрации метана и/или водорода, включающий измерение сигнала на каталитически активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации метана и/или водорода по величине сигнала выходного напряжения, отличающийся тем, что предварительно в режиме калибровки при напряжении питания Uм, обеспечивающем нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления метана, на чувствительный элемент поочередно подают поверочные газовые смеси водород - воздух и метан - воздух с содержанием водорода и метана в смесях Св_пов и См_пов соответственно, производят измерения текущих напряжений Uв_тек и Uм_тек и рассчитывают коэффициенты калибровки по водороду Кв и по метану Км соответственно по формулам Кв=Uв_тек/Св_пов и Км=Uм_тек/См_пов, а затем в режиме измерения запитывают чувствительный элемент поочередно напряжением Uв, обеспечивающим нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения реакции термокаталитического окисления водорода, и напряжением Uм, перед снятием которых производят измерение величин напряжения Uв_изм и Uм_изм, и при отношении Uм_изм/Uв_изм больше заранее установленной величины коэффициента разделения по газу Е определяют измеряемую концентрацию метана по формуле См_изм=Uм_изм/Км, а при отношении Uм_изм/Uв_изм меньше или равном величине коэффициента Е, определяют измеряемую концентрацию водорода по формуле Св_изм=Uв_изм/Кв.