Устройство для измерения концентрации горючих газов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/22 

х

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, отличающееся тем,что, с целью повышения точности в широком диапазоне измеряемых концентраций, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор начального фототока, в цепь обратной связи которого введены схема переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному прибору. (Л с

I

ipt/e.f

Известен термохимический детектор горючих компонентов, входящих в состав анализируемой смеси, которые окисляются в реакционной камере на поверхности предваритёльно го нагретого катализатора. Изменение температуры, регистрируемое с помощью термочувствительного элемента, обычно включаемого в цепь измерительного моста, пропорционально содержанию горючих газов в смеси в качестве подогревателя в устройстве применяется спираль, запитываемая постоянным стабилизированным током 1

Недостатком этого детектора является невысокая чувствительность, ограничивающая его применение при анализе .концентраций горючих газов ниже 10 об. %,

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации горючих газов, содержащее помещенный в реакционную камеру каталитически активный чувствительный элемент, электрически связанный с истоником тока, фотоприемник и вторичный прибор 2 .

Однако высокая точность измерения не может быть достигнута в данном устройстве из-за трудности регистрации малых приращений на фон большего начального свечения чувствительного элемента. Кроме того, поскольку для обеспечения достаточной чувствительности начальная температура чувствительного элемента выбирается высокой, при анализе концентраций, близких к стехиометрическим, эта температура повышаетс настолько, что может привести к чремерному перегреву чувствительного элемента и преждевременному выходу его из строя.

ряжений, при этом первый выход переключающего устройства подключен к источнику тока, второй - к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий к - вторичному прибору и устройству коммутации.

Цель изобретения - повышение точности измерений в широком диапазоне концентраций горючих газов.

Поставленная цель достигается тем что в устройстве для-измерения концентрации горючих газов, содержащем помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор начального фототока, в цепь обратной связи которого введена схем переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному прибору.

Схема переключения может быть выполнена из переключающего устройства вход которого соединен с выходом компаратора, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации, а два других - с источником опорных напряжений, при этом первый выход переключающего устройства, подключен к источнику тока, второй - к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий - к вторичному прибору и

устройству коммутации. 1

Предлагаемое устройство создано

на принципе фотометрирования нагретого катализатора,излучение которого изменяется в зависимости от концентрации горючих газов в анализируемой смеси. На вторичный прибор поступает сигнал с компенсатора начального фототока, пропорциональный разности текущего значения фототока И фототока в отсутствие горючего газа. Схема йереключения автоматически осуществляет выбор.величины тока питания чувствительного элемента из заранее запомненного дискретного набора при изменении концентрации. горючего компонента. При каждом пе реключении на компенсатор с выхода схемы переключения подается сигнал, обеспечивающий установку величины компенсирующего тока, равной фото току, в отсутствие горючего газа в анализируемой смеси при установившемся токе питания чувствительного элемента. Минимальный ток питания выбирается таким образом, чтобы при нем температура чувствительного элемента оставалась выше предельно температуры, при которой происходи гетерогенная химическая реакция окисления на его поверхности. При использовании в качестве . источников фотометрируемой ЛУ.ЧИСТО энергии катализаторов из окислов металлов, например каталически акт ной -окиси алюминия, можно считать, что излучение нагретого чувс вительного элемента соответствует излучению серого тела с интегральным коэффициентом черноты 0,7 0,9. В соответствии с законом Стефан Больцмана энергия излучения Е , испускаемая с единицы поверхности серого тела за единицу при температуре Т (К) .Е,,е.б:.74 где d - коэффициент Стефана-Больц Фототек imпропорционален плотно ти мощности.поступаквдего на вход фотоприемника излучения, следовательно, при достаточно широкой обла ти спектральной чувствительности фотоприемника можно приближенно считать (1) где К, - коэффициент пропорциональ ности, зависящий от велич ны и чувствительности ф топриемника. В отсутствие горючего компонент в смеси температуры катализатора TO, а при его наличии за счет прои ходящей экзотермической реакции . вторичного прибора пост пает токовый снгнал с выхода компе сатора . eb,. ( i(,йT(2T„tьтU7T 2T,.). Схема переключения осуществляет автоматический подбор тока питания чувствительного элемента, обеспечи вающий требуемую чувствительность, при этом на всех диапазонах выпол(няется соотношение йТ«То , следовательно можно считать вь,х ьТ4т| .(2) Известно, что при термохимичес ком методе анализа для концентраций горючего компонента ниже нижнего преде.а воспламенения можно в первом приближении считать iT-lC,c, , концентрация горючего компонента; коэффициент пропорциональности. После подстановки величины uTg(2) получаем вых ГоСг, (4) где ,-К2 Из формулы (4) видно, что имеет место линейная зависимость А j,,j i(Co) и с возрастанием начальной температуры катализатора Тд чувствительность газоанализатора повышается. Поскольку величина Т определяется током питания чувствительного элемента, для регулировки чувствительности прибора достаточно менять этот ток. В реальных устройствах чувствительный элемент изготовляется из материала, излучение которого отличается от излучения серого тела, а фотоприемник может иметь довольно узкую полосу спектральной чувствит тельности. При этом температурная зависимость имеет более сложный вид, однако ее монотонный характер сохраняется. Введение компенсации начального фототока совместно с автоматическим выбором температуры чувствительного элемента, обеспечивающим ее уменьшение с ростом концентрации горючего компонента,дает возможность повысить точность измерений газоанализатора в широком диапазоне концентрацией от 10 до 2 об.%, где выполняется зависимость (3).Экспериментальные исследования подтверждают наличие зависимости, приведенной в формуле (4). На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения концентрации горючих газов; на фиг.2 - градуировочные зависимости тока выхода с компенсатора 1вых от концентрации горючих газов С г при разных значениях тока питания спирали J и разном числе диапазонов внутри области анализируемых концентраций. Устройство состоит из источника тока 1, электрически связанного с каталитически активными чувствительном элементом, представляющим собой спираль 2, находящуюся вместе с катализатором 3 в реакционной камере 4, фотоприемника 5, соедине:нного с вторичным прибором 6 через компенсатор начального фототока 7, в цепь .обратной связи которого введена схема переключения «8 тока питания чувствительного элемента, один из

выходов которой подключен к вторичному прибору.

Схема переключения 8 выполнена из переключающего устройства 9, вход которого соединен- с выходом компаратора 10, один из входов кото рого соединен с выходом устройства коммутации 11, а два других с источником опорных напряжений 12. Первый выход -переключающего устройс ва подключен к источнику тока, второй к компенс атору начального фототока, один из выходов .которого соединен с входом устройства коммутации, а третий - к вторичному прибору и устройству коммутации.

Устройство работает следующим образом.

Катализатор 3, подогреваемый спиралью 2, запитанной от переключаемого источника тока 1, находится в реакционной камере 4, через которую постоянно пропускается анализи руемая газовая смесь. Ток питания спирали J( , определяющий начальную чувствительность устройства, задается управляющим напряжением, поступающим с .переключающего устройства 9 на источник тока 1. Увеличение J.. приводит к росту чувствительност и Обеспечивает возможность анализа малых концентраций горючих газов. Фототок 1ф , пропорциональный ин-, тенсивности излучения нагретого катализатора, с выхода фотоприемника 5 поступает на один из входов компесатора начального фототока 7. Величина компенсируюгдего тока выбирается равной значению 1ф при токе питания спирали Jj и отсутствии в смеси горючих газов. Значение тока i ц , вырабатываемого компенсатором, также задается сигналом, поступающи с переключающего устройства. Разносный сигнал с выхода компенсатора 7 f к -регистрируется вторичным прибором 6. Очевидно, что при концентрации горючего компонента С 2 0, сигнал, поступающий на вход вторичного прибора igj,j(0. ....

При появлении определенного уровня концентрации горючего в анализируемой смеси температура катализатора и интенсивность излучения растут за счет проходящей реакции каталитического окисления, при этом величина iftbu изменяется в соответствии с формулой (4) . На фиг.2 этому рос-, ту соответствует участок 1 (при этом ток питания спирали равен Jf). Однако, возрастание температуры катализатора выше допустимых значений может привести к его преждевременному выходу из строя или изменению каталитических свойств, поэтому вводится ограничение температуры катализатора некоторой величиной

. Значение тока с выхода компенсатора, соответствуквдее этой температуре чувствительного элемента ДЛЯ диапазона 1, равно i вых. то.« При достижении концентрацией горючих газов такой величины, .при которой температура катализатора становится равной Т„д, схема перек.гаочения 8, дискретнр меняющая величину тока источника; 1, автоматически снижает ток спирали 2 до значения J(участок П, фиг. 2), а также устанавливает новое значение компенсирунвдего тока iv;, соответствующее излучению чувствительного элемента в отсутстви горючих газов при токе спирали J и вьщает сигнал на«вторичный прибор, на котором будет осуществляться индикация, соответствующая включению второго диапазона измерения. .

При дальнейшем изменении концентрации в результате ряда исследовательных переключений при достижении выходным током величины i аихtriax устанавливаются значенияJjjH ii соответствующие текущему значению анализируемой концентраций Cf. При этом на вторичном приборе будет осуществляться индикация N-ro диапазона. Величины токов Jj (,3,.... N) выбираются так,- чтобы после каждого очередного переключения в сторону меньших токов (J,2 Jj...J|ii) устанавливалось значение выходного тока компенсатора, равное i .,„ . Величина ig(,,j . nin определяет число диапазонов измерения внутри области анализируемых концентраций. Вольшая величина 1, ..; позволяет повысить чувствительность прибора при измерении каждого конкретного значения концентрации, однако приводит к необходимости частого переключения пределов в случае переменной концентрации горючего компонента (фиг.2). Удобно выбирать значения igj,,, . ,„ таким образом, чтобы преде.лы измерения соседних диапазонов отличались на порядок. В этом случае можно ограничиться одной шкалой вторичного прибора для всей области анализируемых концентраций.

При уменьшении концентрации горю-г чего компонента анализируемой смеси, приводящем к снижению iвых До уровня i et,|, . ,n ° сигналу .с переключающего устройства будет происхо- дить переключение токов JK и i , а индикации на вторичном приборе в сторону меньших номеров (JD.i,iK ,N-1) диапазонов.

При выборе 1вых. mit, и i вы)(,т,пнадо обеспечить, чтобы для верхнего диапазона области анализируемых концентраций излучение чувствительного элемента в отсутствие горючих газов было выше порога чувствительности фотоприемника. При этом для сохранения