СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2014 года по МПК G01N27/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании автоматических приборов контроля концентрации метана и некоторых других горючих газов в атмосфере горных выработок и шахт.

Уровень техники

Среди способов измерения концентрации метана в рудничной атмосфере наибольшее распространение получили два: термохимический (термокаталитический) для измерения малых, т.н. довзрывных концентраций (от 0 до 5%) и термокондуктометрический для измерения более высоких концентраций (до 100%). На основе этих способов реализовано большинство измерителей метана для шахт и других производств.

Термокаталитический способ основан на беспламенном сжигании (окислении) горючего газа на поверхности каталитически активного элемента, нагретого до соответствующей температуры, и измерении выделившегося при этом тепла, пропорционального концентрации горючего газа (см. кн. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. М.: Недра, 1994 г., стр.18-26).

Известные устройства измерения, основанные на упомянутом способе, включают мостовую измерительную схему, в одно плечо которой включен каталитически активный (иначе - рабочий) элемент. В смежное плечо моста включен компенсационный (иначе - сравнительный) элемент, который по своим характеристикам и конструктивному исполнению аналогичен рабочему и отличается от него только отсутствием каталитически активного покрытия. Сравнительный элемент служит для компенсации изменения окружающей температуры, давления и прочих неизмеряемых параметров атмосферы. Рабочий и сравнительный элемент составляют термокаталитический сенсор, питаемый от источника стабилизированного напряжения.

Окисление горючего газа на поверхности каталитически активного элемента приводит к повышению температуры последнего и, как следствие, изменению его сопротивления, что нарушает баланс моста, и в измерительной диагонали возникает ток, пропорциональный концентрации горючего газа.

Недостатком упомянутых устройств и термокаталитического способа является возможность измерения только низких, от 0 до 5% по объему, концентраций метана, что обусловлено возникающим в камере с течением реакции недостатком кислорода для полного окисления метана, и погрешностью нелинейности, присущей мостовой схеме.

Термокондуктометрический способ измерения основан на зависимости теплопроводности газовой, в частности метано-воздушной, смеси от концентрации горючего компонента.

В известных термокондуктометрических газоанализаторах определение концентрации газа осуществляется путем сравнения теплопроводностей анализируемой газовой смеси, поступающей в рабочую камеру, и эталонной газовой смеси постоянного состава, заполняющей герметично закрытую сравнительную камеру. В камерах размещены рабочий и сравнительный преобразовательные элементы (терморезисторы), образующие термокондуктометрический сенсор, включенный в мостовую измерительную схему, питаемую стабильным напряжением (книга Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. М.: Недра, 1994 г., стр.85-86).

Изменение концентрации горючего газа в анализируемой газовой смеси ведет к изменению теплопроводности последней, что способствует изменению температуры нагрева терморезистора и, как следствие, его электрического сопротивления. Изменение сопротивления рабочего преобразовательного элемента приводит к разбалансу мостовой измерительной схемы, и в измерительной диагонали моста появляется выходной сигнал (по напряжению или току), пропорциональный концентрации анализируемого компонента. Однако при низких концентрациях газов теплопроводность меняется незначительно, что делает неэффективным применение термокондуктометрического способа измерения в этом диапазоне.

Известны устройства, в которых реализованы оба вышеупомянутых способа измерения. Конструкция устройств включает две мостовых схемы, в одну из которых включен термокаталитический сенсор, а в другую - термокондуктометрический (см. патент на изобретение SU 1022030, МПК G01N 27/14, опубл. 07.06.83 г, или патент DE 102006059566, МПК G01N 27/16, G01N 25/18, опубл. 19.06.2008).

Измерения посредством схемы, включающей термокаталитический сенсор, осуществляют при низких довзрывных концентрациях метана, при превышении которых происходит автоматическое переключение прибора на вторую схему измерения с термокондуктометрическим сенсором.

Использование двух измерительных схем обеспечивает универсальность прибора, т.к. позволяет измерять концентрацию метана в широких пределах от 0 до 100%, однако такие устройства отличаются сложностью и большим числом конструктивных элементов, что отрицательно сказывается на надежности их работы.

В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого способа измерения концентрации метана принят способ, основанный на использовании термокаталитического сенсора, включающего рабочий и сравнительный элементы, размещенные в реакционной камере с естественным диффузионным доступом анализируемой среды (см. патент SU 174819, МПК G01N 27/16, опубл. 07.09.65 г.).

Способ включает нагрев рабочего элемента пропусканием через него тока до температуры, достаточной для полного окисления метана, измерение выходного сигнала и определение концентрации горючего газа на основе измеренной величины. Недостатком способа является ограниченный довзрывными концентрациями диапазон измерений.

В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого устройства принят прибор для измерения концентрации метана (патент SU 174819, МПК: G01N 27/16, опубл. 07.09.65г.), содержащий источник питания и термокаталитический сенсор, включающий рабочий и сравнительный элементы, размещенные в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды, а также блок обработки и индикации выходных сигналов сенсора. К недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции, обусловленную использованием мостовой измерительной схемы, а также ограниченный низкими концентрациями диапазон измерений.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение диапазона измерений от 0 до 100%.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в расширении диапазона измерений при одновременном упрощении конструкции устройства и повышении точности измерений.

Поставленная задача решена, а технический результат достигнут благодаря тому, что в способе измерения концентрации метана, основанном на использовании термокаталитического сенсора, содержащего рабочий и сравнительный элементы, размещенные в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды, включающем нагрев рабочего элемента пропусканием через него тока и определение концентрации газа по значению выходного сигнала сенсора, согласно заявляемому изобретению рабочий и сравнительный элементы соединяют последовательно и подключают к стабилизатору постоянного тока, регулируемому внешним сигналом, при включении прибора регулированием тока цепи производят установку заданного начального значения напряжения Uc₀ на сравнительном элементе, при котором температура рабочего элемента превышает температуру начала полного окисления метана, после чего значение тока в цепи фиксируют и сохраняют постоянным до выключения прибора, измеряют и запоминают начальное напряжение на рабочем элементе Up₀, определение низких концентраций метана осуществляют, используя в качестве выходного сигнала напряжение на рабочем элементе, при этом контролируют напряжение на сравнительном элементе, при достижении последним заданной предельной величины измерения напряжения на рабочем элементе прекращают, а в качестве выходного сигнала для определения концентрации метана используют напряжение на сравнительном элементе до возвращения последнего к предельному значению.

В предлагаемом способе на одном термокаталитическом сенсоре реализованы сразу два известных метода измерения концентрации метана: термокаталитический для определения низких концентраций от 0 до 5% и термокондуктометрический для определения высоких концентраций от 5 до 100%.

Это стало возможным благодаря следующим отличительным моментам.

Во-первых, в способе используют принципиально иную схему включения термокаталитического сенсора, характеризующуюся последовательным соединением рабочего и сравнительного элементов и их последовательным подключением к источнику питания.

Во-вторых, питание схемы осуществляют стабилизированным током, причем источник питания выполнен с возможностью регулирования от внешнего сигнала.

В-третьих, изначально при включении прибора, в чистом воздухе, производят установку заданного начального значения напряжения Uc₀ на сравнительном элементе. Начальное напряжение Uc₀ на сравнительном элементе обеспечивает гарантированную температуру на рабочем элементе более 360°С (температура начала полного окисления метана), что обеспечивает условия протекания реакции полного окисления метана на рабочем элементе. Величина Uc₀ постоянная и является базовой для работы устройства и расчетов концентраций метана.

После нагрева сенсора начальное напряжение Up₀ на рабочем элементе также измеряют и запоминают, используя его при расчетах.

При появлении метана в анализируемой среде на нагретой поверхности рабочего каталитически активного элемента происходит беспламенное горение метана, что вызывает дополнительный нагрев и увеличение его сопротивления. Изменение сопротивления ведет к изменению напряжения на рабочем элементе, что используют для определения концентрации метана.

В начальной области измерения, до нескольких объемных процентов, пока кислорода достаточно для полного окисления газа, изменение напряжения на рабочем элементе практически линейно связано с концентрацией газа. При этом отсутствуют погрешности второго порядка, являющиеся неотъемлемыми характеристиками мостовых схем, а чувствительность увеличивается в два раза.

Осуществляя измерения напряжения на рабочем элементе, контролируют изменение напряжения на сравнительном элементе. При низких концентрациях горючего газа изменение напряжения на сравнительном элементе практически не происходит, т.к. на его поверхности не происходит реакции окисления, а теплопроводность газовой смеси изменяется незначительно.

По мере увеличения концентрации горючего газа теплопроводность газовой смеси в камере увеличивается. Тепло быстрее отводится от сравнительного элемента, вызывая его охлаждение и, как следствие, изменение падения напряжения на нем. Как только значение напряжения на сравнительном элементе достигло заданной предельной величины, контроль за напряжением на рабочем элементе прекращают до тех пор, пока напряжение на сравнительном элементе не вернется к предельной границе. Дальнейшие измерения напряжения осуществляют только на сравнительном элементе, используя его в качестве выходного сигнала сенсора для определения высоких концентраций метана.

Таким образом, сравнительный элемент термокаталитического сенсора, помимо своих прямых функций компенсационного элемента, выполняет функции термокондуктометрического датчика.

Помимо способа настоящее изобретение включает устройство для измерения концентрации метана, содержащее источник питания, термокаталитический сенсор с рабочим и сравнительным элементами, размещенными в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды, и блок обработки выходных сигналов сенсора. Согласно заявляемому изобретению рабочий и сравнительный элементы сенсора соединены последовательно и подключены к источнику питания, выполненному в виде стабилизатора постоянного тока, регулируемого внешним сигналом, при этом блок обработки выходных сигналов сенсора выполнен в виде процессора, управляющего упомянутым стабилизатором и соединенного через аналого-цифровой преобразователь с термокаталитическим сенсором с возможностью измерения напряжений на рабочем и на сравнительном элементах и с возможностью выбора измеряемой величины.

Предлагаемое устройство представляет собой универсальный метаномер, обеспечивающий измерение концентраций метана в любом диапазоне от 0 до 100%. При этом по сравнению с известными универсальными газоанализаторами по патентам SU 1022030 и DE 102006059566, в которых также обеспечен широкий диапазон измерений и реализованы оба известных метода, значительно упрощена конструкция прибора и обеспечена простота и надежность его работы.

Использование в качестве источника питания стабилизатора постоянного тока обеспечивает стабилизированный ток питания измерительной схемы, что позволяет использовать изменение напряжения на рабочем и сравнительном элементах для расчетов концентрации. Выполнение стабилизатора с возможностью внешнего управления позволяет осуществить установку заданного значения напряжения на сравнительном элементе, что также необходимо для последующих расчетов концентрации.

Блок обработки выходных сигналов сенсора отличается минимальным количеством компонентов. Он выполнен на базе процессора, снабженного для согласования входных и выходных сигналов блоками АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифроаналоговый преобразователь). Предпочтительно, если конструктивно все упомянутые блоки размещены в одном корпусе.

В отличие от известных мостовых схем предлагаемая измерительная схема обеспечивает получение достаточно больших выходных сигналов, что исключает необходимость использования усилителей, являющихся неотъемлемой частью мостовых схем. При этом использование цифровой обработки информации способствует высокому быстродействию и точности расчетов.

Процессор осуществляет управление источником питания и управление процессами измерения. В памяти процессора хранится информация о начальных и предельных заданных значениях. Программное обеспечение процессора обеспечивает запоминание исходных данных, выполнение заданного алгоритма измерения, обработку измерительной информации, вычисление концентрации, хранение и передачу полученных результатов измерений. Для осуществления последнего процессор выполнен с выходным интерфейсом, обеспечивающим выдачу информации на внешние устройства в необходимых форматах с заданной периодичностью.

Оба объекта изобретения, и способ, и устройство, направлены на решение одной задачи и обеспечивают получение одного и того же технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники не выявил решений, характеризующихся совокупностью признаков, эквивалентных всем отличительным признакам заявляемого технического решения, что позволяет сделать вывод о его соответствии требованиям «новизны» и «изобретательского уровня».

Сущность заявляемого способа измерения концентрации метана поясняется на примере работы предлагаемого устройства, схема которого приведена в поясняющих графических материалах.

Осуществление изобретения

Устройство для измерения концентрации метана содержит термокаталитический сенсор 1, состоящий из рабочего 2 и сравнительного 3 элементов, соединенных последовательно, процессор 4, соединенный с термокаталитическим сенсором 1 через многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, и источник стабилизированного постоянного тока, выполненный в виде генератора тока 6, управляемого ШИМ-сигналом процессора через фильтр 7.

Рабочий 2 и сравнительный 3 элементы размещены в реакционной камере, разделенной перегородкой на две части, с диффузионным доступом анализируемой газовой среды через микропористый взрывозащитный газообменный фильтр-оболочку, выполненную из проницаемого керамического или металлокерамического материала.

В качестве рабочего элемента могут быть использованы известные низкотемпературные каталитически активные элементы, основанные на применении каталитических покрытий, наносимых на термостойкие носители с широкоразвитой поверхностью, например приведенные в источнике Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. М.: Недра, 1994 г., стр.19-20.

Сравнительный элемент аналогичен рабочему по своим характеристикам и конструктивному исполнению, за исключением каталитически активного покрытия.

В конкретном примере реализации устройства использовали сенсор ТКС-11, в котором рабочий 2 и сравнительный 3 преобразовательные элементы выполнены из γ-оксида алюминия в форме шарика или полого цилиндра, в тело которого вмонтирована платиновая измерительно-нагревательная спираль. На поверхность рабочего элемента нанесено каталитически активное покрытие из платины и палладия. Сравнительный элемент сверху покрыт слоем стекла, что исключает возникновение на его поверхности каких-либо реакций окисления.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства через последовательно включенные рабочий 2 и сравнительный 3 элементы начинает протекать начальный ток I_н. По команде процессора 4 АЦП 5 измеряет напряжение на сравнительном элементе 3 сенсора и передает эту информацию в процессор 4. В течение заданного времени прогрева сенсора процессор 4 через фильтр 7 изменяет сигнал на входе стабилизатора тока 6 так, чтобы по окончании прогрева на сравнительном элементе 3 установилось напряжение Uc₀, записанное в памяти процессора. В конкретном примере реализации устройства напряжение Uc₀ составляет 1,4 В, что обеспечивает температуру на рабочем элементе 2 более 360°С и гарантирует полное окисление метана на его поверхности.

При достижении Uc₀ заданной величины значение сигнала на входе стабилизатора тока 4 запоминают и сохраняют постоянным на весь период работы (I=const).

Процессор 4 дает команду на измерение напряжения Up₀ на рабочем элементе 2, которое также запоминается и служит опорным значением для расчета концентрации метана.

Дальнейшая работа устройства заключается в поочередном измерении напряжений Up_i и Uc_i на рабочем и на сравнительном элементах соответственно, расчете отклонения напряжений от начальных значений и вычислении концентрации газа через коэффициенты чувствительности для каждой половины сенсора. Порядок измерений задается процессором 4, оснащенным соответствующим программным обеспечением.

Если в анализируемой газовой среде, поступающей в реакционную камеру сенсора 1, содержится метан, то на рабочем элементе 2 начинается его каталитическое окисление (беспламенное горение), что вызывает дополнительный нагрев рабочего элемента 2 и соответствующее увеличение его сопротивления и напряжения Up_i (на отрезке ав, см. схему).

Процессор 4 вычисляет значение изменения напряжения на рабочем элементе 2:

ΔU_p=Up_i-Up₀, на основе которого определяет концентрацию метана.

При этом продолжают контролировать напряжение U_c на сравнительном элементе 3 (измерения на отрезке вс, см. схему).

По мере увеличения концентрации метана увеличивается теплопроводность газовой смеси в камере. Тепло быстрее отводится от сравнительного элемента 3, вызывая его охлаждение и, как следствие, увеличение падения напряжения на сравнительном элементе. При достижении U_c заданного порогового значения измерения напряжения на рабочем элементе 2 прекращают до тех пор, пока напряжение на сравнительном элементе 3 не вернется к границе контроля.

Последующие измерения напряжения осуществляют только на сравнительном элементе 3 и используют их для определения высоких концентраций горючего газа.

Результаты измерений выводятся через выходной интерфейс 8, например, на дисплей прибора.

Возможно применение в качестве выходного интерфейса 8 радиоканала, обеспечивающего передачу результатов измерений на удаленный диспетчерский пункт.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля концентрации метана в атмосфере горных выработок и шахт. Предлагаемый способ измерения концентрации метана основан на использовании термокаталитического сенсора с рабочим и сравнительным элементами, размещенными в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды. Рабочий и сравнительный элементы соединяют последовательно и подключают к стабилизатору постоянного тока, регулируемому внешним сигналом. При включении прибора регулированием тока цепи производят установку заданного начального значения напряжения на сравнительном элементе, при котором температура рабочего элемента превышает температуру начала полного окисления метана, после чего значение тока в цепи фиксируют и сохраняют постоянным до выключения прибора. Измеряют и запоминают начальное напряжение на рабочем элементе. Определение низких концентраций метана осуществляют, используя в качестве выходного сигнала напряжение на рабочем элементе. Параллельно этому контролируют напряжение на сравнительном элементе и при достижении последним заданной предельной величины измерения напряжения на рабочем элементе прекращают, а в качестве выходного сигнала для определения концентрации метана используют напряжение на сравнительном элементе до возвращения последнего к предельному значению. Устройство для измерения концентрации метана содержит стабилизатор постоянного тока, регулируемый внешним сигналом, термокаталитический сенсор с рабочим и сравнительным элементами, включенными последовательно, и процессор, соединенный через аналого-цифровой преобразователь с термокаталитическим сенсором, управляющий стабилизатором постоянного тока, обеспечивающий измерение напряжений на рабочем и на сравнительном элементах и обработку выходных сигналов. Изобретение направлено на расширение диапазона измерений при одновременном упрощении конструкции устройства и повышении точности измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения концентрации метана, основанный на использовании термокаталитического сенсора, содержащего рабочий и сравнительный элементы, размещенные в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды, включающий нагрев рабочего элемента пропусканием через него тока и определение концентрации газа по значению выходного сигнала сенсора, отличающийся тем, что рабочий и сравнительный элементы соединяют последовательно и подключают к стабилизатору постоянного тока, регулируемому внешним сигналом, при включении прибора регулированием тока цепи производят установку заданного начального значения напряжения на сравнительном элементе, при котором температура рабочего элемента превышает температуру начала полного окисления метана, после чего значение тока в цепи фиксируют и сохраняют постоянным до выключения прибора, измеряют и запоминают начальное напряжение на рабочем элементе, определение низких концентраций метана осуществляют, используя в качестве выходного сигнала напряжение на рабочем элементе, при этом контролируют напряжение на сравнительном элементе, при достижении последним заданной предельной величины измерения напряжения на рабочем элементе прекращают, а в качестве выходного сигнала для определения концентрации метана используют напряжение на сравнительном элементе до возвращения последнего к предельному значению.

2. Устройство для измерения концентрации метана, содержащее источник питания, термокаталитический сенсор с рабочим и сравнительным элементами, размещенными в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды, и блок обработки выходных сигналов сенсора, отличающееся тем, что рабочий и сравнительный элементы сенсора соединены последовательно и подключены к источнику питания, выполненному в виде стабилизатора постоянного тока, регулируемого внешним сигналом, при этом блок обработки выходных сигналов сенсора выполнен в виде процессора, управляющего упомянутым стабилизатором и соединенного через аналого-цифровой преобразователь с термокаталитическим сенсором с возможностью измерения напряжений на рабочем и на сравнительном элементах и с возможностью выбора измеряемой величины.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что процессор выполнен с выходным интерфейсом, обеспечивающим выдачу информации на внешние устройства в необходимых форматах с заданной периодичностью.