СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/16 

Изобретение относится к газовому анализу и может быть применено при разработке приборов контроля взрывоопасных газов в окружающей среде.

Известны способы измерения и контроля горючих газов, позволяющие определять довзрывные концентрации взрывоопасных газов на основе термокаталитического датчика, включенного в мостовую схему, а.с. СССР №1427276, а.с. СССР №1735755.

Известен способ измерения концентрации метана и/или водорода, патент РФ №2250455, способ реализован в измерителе концентрации газов ИКГ-6Р, Госреестр средств измерений №27643-04.

При термокаталитическом окислении взрывоопасных газов, на датчике появляется разность напряжений между чувствительным и компенсационным элементами. По величине этого напряжения судят о концентрации взрывоопасных газов.

Для увеличения чувствительности датчика используется пористый материал, позволяющий в небольшом объеме получить достаточно большую поверхность контакта катализатора с взрывоопасным газом.

Обязательным условием окисления является предварительный подогрев катализатора до необходимой температуры. Температура определяется свойствами конкретного газа и используемого катализатора.

Недостаток данных способов измерения взрывоопасных газов в горных выработках заключается в том, что при каталитическом окислении газа, особенно когда в атмосфере присутствуют серосодержащие газы, происходит выделение продуктов горения, эвакуация которых протекает естественным путем, при этом температурному воздействию подвергаются и сопутствующие газы, продукты горения которых, в связи с недостаточной температурой для их горения, осаждаются на активной поверхности чувствительного элемента, уменьшая ее эффективную площадь. Сокращение контактирующей с взрывоопасным газом поверхности катализатора ведет к снижению чувствительности датчика и, как следствие, его выходу из строя.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации газа и главное - увеличение срока службы термокаталитических датчиков.

Для минимизации указанных недостатков предлагается новый способ питания подогревателя термокаталитического датчика. Для этого необходимо периодически увеличивать напряжение подогрева датчика для дожигания или сублимации продуктов горения, образовавшихся при более низкой, рабочей, температуре и осевших на поверхности катализатора. Максимальная дополнительная температура и длительность импульса будут определяться конкретными свойствами материалов катализатора (пористого вещества), на которые он нанесен, устойчивостью к перегоранию материала подогревателя, допустимых условий эксплуатации во взрывоопасной среде. Для реализации этого способа необходимо использовать импульсный режим измерения сопротивления датчика в тот момент времени, когда его температура будет однозначно определяться концентрацией измеряемого горючего газа. При использовании импульсного питания датчика потребуется дополнительный импульс на более высоком напряжении.

Принципиальное отличие предлагаемого способа заключается в периодическом повышении температуры подогревателя для удаления с поверхности катализатора продуктов горения сопутствующих газов и их производных.

Первоначально было испытано более тридцати датчиков ДТК 7/6, применяемых в газоанализаторах ИКГ-6 и вышедших из строя по причине потери чувствительности. Была собрана установка, схема которой приведена на фиг.1, где 1 - устройство для подачи ПГС 50% НКПР СН₄, состоящее из баллона и регулирующего устройства расхода газа, 2 - блок питания HY-3005, 3 - датчик ДТК - 7/6,4 - вольтметр В7-38, 5 - уровень напряжения, создаваемый вольтметром, 2,5 В.

При первоначальной установке датчика ДТК - 7/6 в газоанализатор ИКГ-6, проведя корректировку прибора, мы производили считывание из параметров прибора первоначального коэффициента чувствительности датчика. После работы прибора в условиях горных выработок и корректировок прибора согласно установленного регламента (1 раз в неделю) происходило уменьшение коэффициента чувствительности ниже предела, допустимого для данного типа приборов. Сняв датчик с прибора, подключали его к установке (рис.1). На данной установке производили подачу ПГС 50% НКПР СН₄ на датчик 1 и с помощью блока питания 2 подавали на датчик напряжение 5, контролируя при этом напряжение с помощью вольтметра 4, повышали напряжение питания до 2,5 В (5), после чего устанавливали датчик в прибор, проводили корректировку прибора, а затем считывали полученный коэффициент чувствительности и сравнивали с первоначальным коэффициентом. Опыты показали, что коэффициент чувствительности датчиков восстанавливается практически полностью.

При подаче на датчик напряжения 2,5 В была достигнута температура чувствительного элемента Тв≈500°С, которая явилась достаточным условием для восстановления датчиков. Напряжение, а следовательно и температура определялись опытным путем. Температура меньше 500° недостаточна для сублимации продуктов горения на активной поверхности датчика. Длительность импульса восстановления 0,5÷1,0 с.

Сущность способа поясняется чертежами, изображенными на фиг.2, где

1 - Uв, уровень напряжения, определяемый для конкретного датчика из условия достижения температуры 500°С;

2 - Uи, уровень напряжения, определяемый при корректировке прибора для каждого датчика индивидуально;

3 - Тв, температура восстановления 500°С;

4 - Ти, температура при измерении, соответствующая типу применяемого датчика и определяемого газа;

5 - Uc, стробирующий импульс (появляется тогда, когда температура датчика определяется концентрацией определяемого газа, инициирует отображение информации на индикаторе и завершается при появлении импульса восстановления);

6 - tc, реальное время;

7 - tи, период, во время которого происходит считывание показаний прибора

и осуществляется следующим образом.

После подачи на датчик напряжения питания 4, питающее напряжение увеличивается до величины 1, заведомо большее, обеспечивающее разогрев чувствительного элемента до температуры, при которой происходит сублимация продуктов горения на активной поверхности датчика. При данной температуре продукты горения сторонних газов эвакуируются с поверхности чувствительного элемента, восстанавливая тем самым эффективную поверхность термокаталитического элемента.

Данный процесс повторяется циклически при каждом измерении, следовательно, происходит циклическое восстановление эффективной поверхности и коэффициента чувствительности датчика в целом. Импульс 5 является стробирующим, он позволяет контроллеру прибора провести считывание величины выходного напряжения измерительного моста в момент проведения измерения и не учитывать выходное напряжение во время дополнительного разогрева до величины температуры, при которой происходит сублимация продуктов горения на активной поверхности датчика.

При изменении программного обеспечения прибора контроля взрывоопасных газов и учете в алгоритме измерений импульсов 5 и 1, согласно приведенным нами диаграммам, получаем эффект динамического восстановления коэффициента чувствительности датчика, а следовательно достоверность произведенных измерений и увеличение срока службы термокаталитического датчика.

Изобретение использовано при разработке приборов контроля взрывоопасных газов в окружающей среде. В преложенном способе, включающем измерение сигнала на каталитически активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации взрывоопасных газов по величине сигнала выходного напряжения, после каждой подачи на датчик напряжения питания, обеспечивающего нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения термокаталитического окисления взрывоопасного газа, чувствительность термокаталитического элемента восстанавливают дополнительным разогревом его до температуры, при которой происходит сублимация продуктов горения на активной поверхности чувствительного элемента, путем увеличения питающего напряжения, при этом вводится стробирующий импульс, позволяющий прибору проводить считывание величины выходного напряжения измерительного моста в момент проведения измерения концентрации взрывоопасных газов и не учитывать выходное напряжение измерительного моста, возникающее во время дополнительного разогрева. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения концентрации газа и увеличения срока службы термокаталитических датчиков. 2 ил.

Способ измерения концентрации взрывоопасных газов, включающий измерение сигнала на каталитически активном чувствительном элементе газоанализатора, включенном в мостовую измерительную схему, и последующее определение величины концентрации взрывоопасных газов по величине сигнала выходного напряжения, отличающийся тем, что после каждой подачи на датчик напряжения питания, обеспечивающего нагрев чувствительного элемента до температуры возникновения термокаталитического окисления взрывоопасного газа, чувствительность термокаталитического элемента восстанавливают дополнительным разогревом его до температуры, при которой происходит сублимация продуктов горения на активной поверхности чувствительного элемента, путем увеличения питающего напряжения; при этом вводится стробирующий импульс, позволяющий прибору проводить считывание величины выходного напряжения измерительного моста в момент проведения измерения концентрации взрывоопасных газов и не учитывать выходное напряжение измерительного моста, возникающего во время дополнительного разогрева.