ГАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2006 года по МПК G01N27/68 

Изобретение относится к устройствам для детектирования утечки газов и может быть использовано в разных отраслях промышленности.

Известен способ определения электрофизических параметров окружающей среды и устройство для его осуществления, в котором для повышения чувствительности измерений в газоразрядном детекторе между острием стержневого катода и коаксиально расположенным цилиндрическим анодом создают электрическое поле. В газовой среде детектора создают коронный разряд при напряжении на катоде, выбранном в интервале значений 3,73+/-0,2 кВ.

Острие катода размещается от торцевого окна камеры на расстоянии, равном (от 2/3 до 3/4) L, где L - длина разрядной камеры детектора. Площадь поперечного сечения острия катода в 10^2- 10³ раз меньше площади поперечного сечения камер (патент РФ№ 2069869, МПК G 01 Т 1/18, G 01 T 1/167, опубликованный 1996, 11.27).

Недостатком данного детектора является прекращение его функционирования при относительно высоких (порядка 100 ppm) концентрациях.

Известен газовый детектор, содержащий корпус с расположенным в центре корпуса катодом в виде иглы, анодом и входным отверстием для детектируемого газа, средства для измерения тока разряда, источник питания, создающий напряжение, необходимое для поддержания коронного разряда между анодом и катодом (патент US 4609875, G 01 N 27/60, опубликован 1986, 09.02).

Недостатком этого детектора является то, что при существенном (более 10⁷ ppm) увеличении концентрации электроотрицательной примеси ток разряда падает, следовательно, "электрический ветер" исчезает, что приводит к затуханию коронного разряда и отсутствию возможности измерений при данной концентрации из-за остановки прокачки. Таким образом, происходит длительное "отравление" датчика, т.е. нарушение его функционирования.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания газового детектора, в котором за счет установки в корпусе в качестве катода нескольких игл и подачи на них напряжения, необходимого для поддержания коронного разряда между ними и анодом, расширяется диапазон концентраций измеряемого газа, по крайней мере, в два раза, что соответственно повышает и верхнюю границу возникновения эффекта прерывания измеряемого тока разряда (так называемого "отравления" катода).

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в газовом детекторе, содержащем корпус с расположенным внутри него катодом, анодом и входным и выходным отверстиями для детектируемого газа, средства для измерения тока разряда, высоковольтный источник питания, создающий напряжение, необходимое для поддержания коронного разряда между анодом и катодом, катод выполнен из n игл, где n≥2, установленных симметрично относительно корпуса, на которые подано напряжение от высоковольтного источника питания, превышающее напряжение зажигания коронного разряда в детектируемом газе на острие n игл, при этом иглы катода выполнены с дополнительными внутренними каналами для подачи газа, соединенными с дополнительным устройством принудительной прокачки детектора газом.

Иглы катода могут быть выполнены с разным радиусом закругления острия.

На иглах катода на расстоянии от острия порядка 0,8-1,5 диаметра иглы может быть выполнен слой изолирующего покрытия, например лакового.

Плоский анод газового детектора может быть выполнен со сквозными микроотверстиями (порами), поперечный размер которых более чем в 100 раз меньше, чем поперечный размер анода.

На корпусе датчика может быть установлено устройство для принудительной прокачки детектора детектируемым газом, например вентилятор.

В газовом детекторе предусмотрены дополнительно установленные устройства для измерения тока для каждой иглы в отдельности.

Высоковольтный источник питания датчика может быть выполнен регулируемым по подаваемому на иглы катода напряжению, причем диапазон его регулирования находится в пределах от напряжения зажигания одной иглы до удвоенного напряжения зажигания всех игл в детектируемом газе.

Наличие нескольких игл позволяет стабилизировать ток детектора при неблагоприятных условиях работы и в несколько раз повысить порог появления эффекта "отравления" детектора при повышенных концентрациях исследуемой смеси воздуха с электроотрицательным газом за счет взаимной подсветки жестким ("вакуумным") ультрафиолетом (как показали эксперименты, длина волны излучения менее 150 нм) микрообъемов плазмы разряда на концах игл катода. Взаимная подсветка стабилизирует разряд, не только повышая метрологические свойства прибора в целом за счет снижения естественных флуктуаций протекания самих разрядов, но и повышая границу работоспособности детектора при предельных концентрациях электроотрицательных газов.

Наличие нескольких игл с разными закруглениями острия, при постепенном повышении или понижении напряжения, подаваемого на них, и при наличии дополнительно установленных устройств для измерения тока для каждой иглы в отдельности позволяет за счет разных условий зажигания, протекания и погашения разряда для разных закруглений игл катода оценить тип газа примеси.

Кроме того, эти признаки позволяют различить наличие утечки разных газов при дополнительной калибровке по характерной зависимости тока разряда от напряжения на каждой из игл для разных галоидсодержащих газов или их смесей.

Наличие дополнительной принудительной прокачки и дополнительных внутренних каналов для подачи воздуха или газовой смеси также приводит к стабилизации тока детектора и устранению эффекта длительного "отравления" детектора при повышенных концентрациях галоидсодержащего исследуемого газа.

Изолирующее покрытие на иглах (например, лаковое), нанесенное на расстоянии порядка 1-1,5 диаметра иглы от острия, снижает напряжение, необходимое для возникновения разряда при очень больших (до 100%) концентрациях электроотрицательного газа за счет широко известного в высоковольтном машиностроении эффекта "тройной точки".

Выполнение плоского анода со сквозными отверстиями (например, порами), поперечный размер которых более чем в 100 раз меньше, чем поперечный размер анода, позволяет обеспечить ламинаризацию потока исследуемого газа. Для некоторых видов применения предлагаемого детектора, например в метрологических приборах для измерения сверхмалых концентраций, это позволяет повысить чувствительность прибора за счет систематизации пути перемещения ионов с потоком газа.

Таким образом, благодаря перечисленным выше отличиям, кроме детектирования наличия галоидсодержащего газа в атмосфере (режим течеискателя), детектор может использоваться в приборах, работающих в:

- режиме оценки типа галоидсодержащего газа при восходящем напряжении по изменению тока при подъеме напряжения;

- режиме измерения изменений концентрации галоидсодержащего газа по измерению тока разряда на одном или нескольких остриях игл при поданном на них неизменном напряжении.

Изобретение поясняется фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 схематически показан разрез газового детектора, в котором число игл n=4. Он содержит корпус 1, иглы катода 2 (на фиг.1 видны три из четырех игл), с каналами 7, анод 3 в форме мембраны с микроотверстиями для ламинаризации потока воздуха, входное для исследуемого газа отверстие 4, выходное отверстие 5.

На корпусе 1 помещено устройство принудительной прокачки газа (в данном случае - вентилятор) 6.

Анод 3 и иглы катода 2 соединены проводниками с регулируемым высоковольтным источником питания 9. В эту цепь питания включены устройства измерения тока 10, 11, 12 и 13. Для разных задач практического использования прибор с нашим детектором может включать как устройство измерения интегрального тока 10, так и может быть дополнен устройствами измерения тока 11, 12, 13 для каждой иглы 2 в отдельности.

На фиг.2. показаны четыре иглы 2 с разными радиусами закругления острия, закрепленные в держателе игл 8, выполненном из изолирующего материала (например, керамики). На фиг.2 видны входы в каналы 7 игл 2.

На фиг.3 показана зависимость тока коронного разряда I от парциального давления PSF₆ в воздухе. На ее основе строится градуировочная кривая для каждого типа прибора с предлагаемым детектором.

Работа с детектором производится следующим образом:

После включения источника питания 9 на остриях игл 2 возникает коронный разряд, ток которого измеряется устройством измерения тока 10. После этого или одновременно включается устройство принудительной прокачки воздуха 6.

Если после этого в детектор направляется воздух с галоидсодержащим газом, то ток разряда уменьшится, что будет отмечено оператором с помощью устройства измерения тока 10 или других подключенных к нему сигнальных устройств (звуковых, световых и т.п.).

Физические процессы, происходящие в детекторе при его работе, можно пояснить следующим образом:

В высоковольтном машиностроении широко известно, что для повышения электрической прочности газовой изоляции используется заполнение межэлектродного пространства электроотрицательными газами (CO₂, SF₆, CF₄ и все другие фреоны и их смеси). Эффект повышения электрической прочности изоляции объясняется, в частности, увеличенной способностью этих молекул захватывать электроны, тем самым препятствуя развитию всех видов электрического разряда, в том числе таких, как частичные разряды, барьерные разряды, коронные, тлеющие высокочастотные разряды и др.

В предлагаемом изобретении используется коронный разряд с острия игл 2, находящихся под отрицательным потенциалом на плоский, как показано на фиг.1, анод 3, создаваемый источником питания 9. Плоский анод 3 для ламинаризации потока воздуха выполнен со сквозными микроотверстиями.

Предлагаемый газовый детектор может быть использован в приборах, предназначенных как для поиска течей, так и для измерения относительного содержания галоидов в атмосфере. При этом используется метод абсолютного измерения концентрации примеси при заранее известной зависимости тока коронного разряда от парциального давления исследуемого газа в воздухе.

У прототипа чувствительность этого метода при одной игле катода ограничивается стабильностью тока ее короны и, как показало проведенное экспериментальное исследование, достигает величин 1-0,2 ppm.

В нашем детекторе использование параллельного включения нескольких игл катода приводит к росту стабильности тока коронного разряда из-за взаимной поддержки разрядов на концах игл их жестким (менее 260 нм) ультрафиолетовым излучением. Например: использование 4 игл увеличило стабильность тока в 10 раз. Это соответственно сдвигает границу чувствительности метода измерения по галоидсодержащим газам до величины менее 0,1 ppm.

Это же физическое явление позволяет не только повысить чувствительность используемого детектором метода, но и расширить (не менее чем на два порядка) диапазон нормального (до появления эффекта "отравления") функционирования детектора в районе повышенных концентраций галоидов, что особенно важно для поиска течей в крупных элегазовых аппаратах.

Такой же эффект дает в случае очень больших концентраций галоидсодержащих газов (ситуация, характерная и для поиска больших течей) продувка детектора воздухом через каналы игл катода.

В отличие от широко распространенных в промышленности течеискателей на основе нагреваемой спирали с нанесенным на нее платиноидным катализатором предлагаемый газовый детектор не подвержен "отравлению" при значительно больших (минимум на два порядка) концентрациях галоидсодержащего газа. Кроме того, "отравление" у детекторов с катализатором особенно неприятно тем, что его снятие требует длительного (от десятков секунд, до десятков минут) периода продувки заведомо чистым воздухом для восстановления функциональных, а тем более метрологических свойств.

Изобретение относится к устройствам для детектирования утечки газов и может быть использовано в разных отраслях промышленности. Техническим результатом является расширение диапазона концентраций измеряемого газа, повышение верхней границы возникновения эффекта прерываемого измеряемого тока разряда (так называемого "отравления" катода). Это обеспечивается тем, что в газовом детекторе, содержащем корпус с расположенным внутри него катодом, анодом и входным отверстием для детектируемого газа, средства для измерения тока разряда, высоковольтный источник питания, создающий напряжение, необходимое для поддержания коронного разряда между анодом и катодом, катод выполнен из n игл, где n≥2, установленных симметрично относительно корпуса. На иглы катода подано напряжение от высоковольтного источника питания, превышающее напряжение зажигания коронного разряда в детектируемом газе на острие n игл. Иглы катода выполнены с дополнительными внутренними каналами для подачи газа, соединенными с дополнительным устройством принудительной прокачки детектора газом. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газовый детектор, содержащий корпус с расположенным внутри него катодом, анодом и входным и выходным отверстиями для детектируемого газа, средства для измерения тока разряда, высоковольтный источник питания, создающий напряжение, необходимое для поддержания коронного разряда между анодом и катодом, отличающийся тем, что катод выполнен из n игл, где n≥2, установленных симметрично относительно корпуса, на которые подано напряжение от высоковольтного источника питания, превышающее напряжение зажигания коронного разряда в детектируемом газе на острие n игл, при этом иглы катода выполнены с дополнительными внутренними каналами для подачи газа, соединенными с дополнительным устройством принудительной прокачки детектора газом.2. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что иглы катода выполнены с разным радиусом закругления острия.3. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что на иглы катода, на расстоянии от острия порядка 0,8-1,5 диаметра иглы нанесен слой изолирующего покрытия, например лакового.4. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен плоским со сквозными микроотверстиями, поперечный размер которых более чем в 100 раз меньше, чем поперечный размер анода.5. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что на корпусе установлено устройство для принудительной прокачки детектора детектируемым газом, например вентилятор.6. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что его высоковольтный источник питания выполнен регулируемым по подаваемому на иглы катода напряжению, причем диапазон его регулирования находится в пределах от напряжения зажигания одной иглы до удвоенного напряжения зажигания всех игл в детектируемом газе.7. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлены устройства для измерения тока для каждой иглы в отдельности.