Способ контроля многокомпонентных горючих примесей в газовой среде Советский патент 1984 года по МПК G01N27/16 

1

Изобретение относится к количественному анализу состава горючих примесей в газовой среде и может быть использовано в угольной промьшшенности, а также нефтеперерабатьшающей, химической и других от- раслях, в которых выполнение технологических операций и хранение сырья сопряжено с выделением горючих газов и паров. .

Известна хроматография с термокондуктометрическим детектированием выходного сигнала для контроля состава многокомпонентных горючих примесей Cl3.

Недостатками газовой хроматографии являются относительно большое время цикла газового анализа, обусловленное инерционностью процесса разделения анализируемых компонентов на хроматографической колонке сложность автоматизации процесса периодического отбора проб и процесса преобразования хроматографических данных в непосредственную информацию о концентрациях анализируемых компонентов.

Наиболее близким к изобретению является способ контроля многокомпонентных горючих примесей в газовой среде, включающий сжигание примеси в сообщающейся с контроЛируемой средой реакционной камере, в которой установлен чувствительный к анализируемым газам преобразовательный элемент, и измерение выходного сигнала этого элемента. При осуществлении этого способа обеспечивается подвод всех компонентов контролируемой газовой смеси к разогретому каталитически активному термопреобразовательному элементу и включенному в мостовую измерительную схему. Параметры этой схе1Ф1 выбирают такими, чтобы при работе в чистом воздухе она находилась в равновесном состоянии. При появлении в воздухе горючей примеси ее компоненты, попадая на поверхность термопреобразовательного элемента, вступают в реакцию окисления, сопровождающуюся вьщелением тепловой энергии. В результате повьппается температура элемента и изменяется его электрическое сопротивление, что приводит к разбалансу мостовой схемы. По величине выходного сигнала моста оценивают сте163741

пень взрывоопасности среды, приводя этот сигнал к долям или процентам от ее нижнего предела взрываемости 2 .

5 Недостатками такого способа являются высокая методическая погрешность контроля, составляющая не менее +30% от измеряемой величины, и отсутствие селективной информа10 ции о концентрациях каждого компонента горючей примеси в контролируемой среде.

Цель изобретения - повьпиение селективности анализа газов и паров, 15 составляющих горючую примесь, без их предварительного разделения и достоверности оценки взрывоопасности контролируемой среды.

Поставленная цель достигается 20 тем, что согласно способу контроля многокомпонентных горючих примесей в газовой среде, включающему сжигание примеси в сообщающейся с контролируемой средой реакционной каме25 ре, в которой установлен чувствительный к анализируемым газам преобразовательный элемент, и измерение выходного сигнала этого элемента, предварительно определяют времен30 ные характеристики переходных процессов изменения концентрации каждого компонента в реакционной камере при скачкообразном изменении интенсивности сжигания примеси, а при

выполнении каждого цикла анализа

примеси одновременно изменяют интенсивность сжигания всех анализируемых компонентов и измеряют выходные сигналы преобразовательного элемента в процессе изменения состава газовой смеси в реакционной камере , причем количество замеров равно количеству анализируемых компонентов.

На чертеже приведен график зависимости выходного сигнала S датчика от времени t , отсчитываемого от момента восстановления рабочего напряжения на датчике.

Кривые соответствуют переходным характеристикам датчика контроля многокомпонентных горючих примесей, где кривая 1 соответствует изменению выходного сигнала датчика при

одновременном выгорании Н2 и СО в объеме реакционной камеры; кривая 2 - изменению выходного сигнала датчика при выгорании Н2 в объеме реакционной камеры-, кривая 3 - изменению выходного сигнала при выго рании СО в объеме реакционной каме ры. Пример . Проводится анализ примеси водорода и окиси углерода в воздушной среде. Для этого исполь зуют термокаталитический датчик, состоящий из рабочего и компенсационного термопреобразовательных элементов, помещенных в газопроницаемую реакционную камеру и дифференциально включенных в мостовую схему. Термопреобразовательный элемент представляет собой платиновую спираль, покрытую гамма-окисью алюминия. Рабочий элемент отличается от компенсационного тем, что на него наносится платинопалладиевый катализатор. Реакционная камера выполняется из пористой металлокерамики . Сжигание горючего газа на каталитически активном элементе приводит к возрастанию сопротивления спирали из платиновой проволоки, обладающей достаточно высоким значением температурного, коэффициен та (410 Ом/град). Датчик устанавливается в газовой камере, кото рая заполняется анализируемой смеСЬЮ, и подключается к регулируемому источнику питания. Выходной сигнал, выдаваемьй датчиком, оценивается с помощью милливольтметра, вкл ченного в диагональ измерительного моста, и фиксируется на осциллограм ме шлейфового осциллографа. Рабочая температура начального разогрева чувствительного элемента в среде чи того воздуха при напряжении питания датчика 2 В составляет 200°С. При этом реакция окисления окиси углерода и водорода протекает в диф фузионной области. Металлокераьшческие стенки реакционной камеры о зьгаают дополнительное сопротивлени диффузионному переносу водорода и окиси углерода к термопреобразовате Hbw элементам. Коэффициент передачи к датчика по концентрации анализируемых газов, равньй отношению концентраций этих газов в реакцион ной камере и среде, окружающей дат чик, при установившемся режиме газообмена составляет 0,4. Это значе ние определяют путем измерения выходных сигналов датчиков при наличии реакционной камеры и без нее в условиях одинакового содержания горючих компонентов в приготовленной газовой смеси. Для проведения селективного анализа газов, составляющих горючую примесь, пред-, варительно определяют временные характеристики переходных процессов, обусловленных выгоранием окиси углерода и водорода в реакционной камере. Дпя этого датчик помещают в газовую камеру, заполненную водородовоздушной смесью, содержащей 1 об.% водорода (Н). Затем напряжение питания отключают, при этом на рабочем элементе прекращается реакция окисления водорода, вследствие чего его концентрация в реакционной камере выравнивается с концентрацией в анализируемой среде. После восстановления рабочего напряжения регистрируется экспоненциально протекаю1Щ1й процесс снижения концентрации водорода в реакционной камере, обусловленный возобновлением реакции окисления и выгоранием части водорода, содержащегося в реакционной камере. По полученной осциллограмме определяется постоянная времени (THJ) этого процесса. ( Аналогично определяется постояная времени (Т.р) переходного процесса выгорания окиси углерода (СО) в реакционной камере, для чего помещают датчик в воздушную смесь, содержащую 1 об. % СО. При этом выявлено, что 3,5. После получения указанных предварительных данных приступают к непосредственному селективному ана- лизу газа, содержащего примесь водорода и окиси углерода. Для этого, подавая импульсное напряжение питания на датчик, снимают о.сциллограмму переходного процесса выгорания в реакционной камере смеси газов, составленной из воздуха с примесью Hj и СО. При этом длительность подачи на датчик рабочего напряжения питания и длительность снятия напряжения, обеспечивающие практически полное завершение переходного процесса, составляют соответственно 5Т . и lOTf Получив осциллограмму переходного процесса, имеющего вид, указанный на чертеже, проводят измерения выходных сигналов датчика 5 и 82 .

J

Установлено, что выходной сигна датчика (5) выгорания горючих примесей газа в объеме реакционной камеры описывается уравнением

t К. Т

S-2:

(С;тг-С:К,|е ЧС.К, , (

к.

1 i

1

где С; - концентрация i-ro компонента горючей примеси, об.%} k; - коэффициент передачи измерительного тракта по нап ряжению при измерении концентрации /-го компонента горючей примеси, мВ/об. К - коэффициент передачи датчика по концентрации горючего компонента; Т. - постоянная времени переход ного процесса, обусловленная выгоранием Нго компо нента горючей примеси, с; t - текущее время, отсчитываемое от момента восстановле ния рабочего напряжения на датчике, с. При наличии п компонентов в горю чей примеси количество замеров выходного сигнала преобразовательного элемента в процессе изменения со тава газовой смеси в реакцио}(ной камере равна Также п . Зная величины выходных сигналов преобразовател ного элемента для п замеров, составляют систему из п неравнозначных уравнений, имеющую вид: Для проведенного эксперимента при наличии в воздухе двух горючих компонентов (водорода и окиси углерода) система уравнений (2) сводится к следующему виду: постоянные времени переходных процессов , обусловленных выгоранием соответственно окиси углерода и водорода, с5 коэффициент передачи измерительного тракта по напряжению при измерении водорода, мБ/об.%; коэффициент передачи измерительного тракта по напряжению при измерений окиси углерода, мВ/об,%; коэффициент передачи датчика по концентрации горючей компоненты; времена, соответствующие моменту измерения выходных сигналов соответственно 5 и Sj , концентрация соответственно водорода и окиси углерода в воздушной смеси, ии концентраций Н2 среде используют пределенные параисленные значения в табл. 1. Таблица 1

СПОСОБ КОНТРОЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГОРЮЧИХ ПРИМЕСЕЙ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ, включающий сжигание при-, меси в сообщающейся i контролируемой средой реакционной камере, в которой установлен чувствительный к / анализируемым газам преобразовательный элемент, и измерение выходного сигнала этого элемента, о т л ичающийся тем, что, с повышения селективности анализа газов и паров, составляющих газовую примесь, без их предварительного разделения JH достоверности оценки взрывоопасности контролируемой среды, предварительно определяют временные характеристики переходных процессов изменения концентрации каждого компонента в реакционной камере при скачкообразном изменении интенсивности сжигания примеси, а при выполнении каждого цикла анализа примеси одновременно изменяют интенсивность сжигания всех анализируемых компонентов и измеряют выходные сигналы преобразовательного элемента в процессе изменения состава газовой смеси в реакционной камере, причем количество замеров равно количеству анализируемых компонентов.

8,4

2,4 0,4

30

14,9

42

Подстановка в систему уравнений (3) предварительно полученных данных, соответствующих сигналам 5 и Sj , и решение этой системы относительно концентраций и С приводит к простым выражениям, удобным для определения численных значений искомых концентраций по двум выходным сигналам датчика 5:,

Как видно из табл. 2, результаты определения погрешности измерения, полученные на основе прямого измерения концентрации СО и Н2 с помощью интерферометра, принятого в качестве образцового прибора, и данные, полученные на основе предлагаемого способа,хорошо совпадают.

Предлагаемый способ дает возможность относительно простыми /

и 5 измеренным соответственно : в моменты времени , и t J

Ссо- 0,135 5, - 0,141 52 (4) С„2 0,104 5 - 0,068 S, (5) 5

Результаты анализа концентраций СО и Hj в воздушной среде, полученные на основе выражений (4) и (5), приведены в табл. 2.

Таблица 2

средствами обеспечить непрерьшный количественный контроль состава горючих примесей в газовых смесях без их предварительного разделения на отдельные компоненты и тем самым повысить эффективность контроля на взрьшоопасность этих примесей при выполнении различных технологических операций.