Способ автоматического контроля концентрации горючих газов Советский патент 1987 года по МПК G01N27/14 

11

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля концентрации взрывоопасных горючих газов термохимическим датчиком, и может быть использовано для контроля утечек природного газа из магистральных газопроводов.

Целью изобретения является снижение эксплуатационных затрат на дополнительную настройку и калибровку датчика в связи с периодической заменой выработавшего положенный ресурс чувствительного элемента датчика и повышение точности контроля благодаря стабилизации общего коэффициента преобразования концентрации горючего газа в выходной (измерительный) сигнал датчика.

Способ автоматического контроля концентрации горючих газов термохимическим датчиком заключается в изменении режима работы датчика при изменении концентрации горючего газа в ана лизируемо й смеси и определении концентрации горючего газа по величине изменившегося параметра режима работы. При увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих газов термохимическим датчиком путем синхронного увеличения величины магнитного поля, воздействующего на датчик, и (или) уменьшением сечения канала поступления анализируемой смеси к датчику. Возможно путем увеличения объема реакционной камеры или уменьшения ее газопроницаемости увеличить время запаздывания поступления анализируемой смеси в реакционную камеру до Появления переменной составляющей магнитного поля. При этом концентрацию горючего газа в смеси определяют по изменению частоты или по отношению длительностей полупериодов переменной составляющей магнитного поля.

Способ осуществляют следующим об- разом.

Реакционную камеру датчика с находящимся в нем чувствительным элементом устанавливают преимущественно в торцовую часть сердечника цилиндрического электромагнита постоянного тока. Дня усиления действия магнитного поля электромагнита на интенсивность диффузии анализируемой

0

5

смеси в реакционной камере датчика перед торцовой частью сердечника электромагнита (а следовательно, и перед реакционной камерой) устанавливают пластину, изготовленную преимущественно из намагничивающегося материала, например из стали. Диаметр пластины соответствует диаметру элек- электромагнита. Толщину пластины выбирают исходя из ее механической прочности и малого веса. Чувствительный элемент датчика разогревают (с помощью пропускаемого через него 5 тока) до температуры, при которой контролируемый горючий газ каталитически окисляется на его поверхности. Выделяемое при этом тепло (т.е. повышение температуры чувствительного элемента) преобразуют в выходной сигнал датчика. К датчику подают эталонную газовую смесь с заданной концентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону измеряемых концентраций. Затем экспериментально снимают зависимость изменения выходного сигнала датчика Ид от напряжения питания электромагни0

5

0

5

0

5

та Е. Выход датчика при этом электрически не связан с электромагнитом. После этого на электромагнит подают постоянное напряжение питания (напряжение смещения) Е, соответствующее

(согласно снятой зависимости) максимальному выходному сигналу датчика. Кроме того, выходной сигнал датчика дополнительно усиливают с помощью усилителя напряжения (тока) до еди ниц-десятков вольт (точное значение определяется при настройке и калибровке датчика) и также подают на электромагнит,

Таким образом, усиленное выходное напряжение (ток) датчика суммируют на электромагните с напряжением смещения ЕО . I

При наличии горючего газа в смеси происходит его окисление на чувствительном элементе датчика, Появив- шийся при этом выходной сигнал датчика подают на электромагнит, увеличивая, таким образом, его суммарное напряжение питания. Это, в свою очередь, приводит к частичному уменьшению (компенсации) выходного сигнала и, следовательно, напряжения питания электромагнита. Таким образом, происходит стабилизация общего коэффициента передачи схемы (датчика). Кон313

центрацию горючего газа в смеси определяют по изменению (увеличению) напряжения питания электромагнита. При этом минимальное напряжение питания электромагнита, соответствующее отсутствию горючего газа в смеси, рав

но напряжению смещения Е,. Максимальное значение напряжения электро- магнита, соответствующее контролируемой концентрации, ограничено предел но допустимым напряжением питания электромагнита,

Проверку работоспособности способа, т.е. наличия стабилизации общего коэффициента преобразования термохимического датчика (его независимости от изменения коэффициента преобразования чувствительного элемента), осуществляют следующим образом, К датчику подают эталонную газовую смесь с постоянной концентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону измеряемых концентраций. Через чувствительный элемент датчика пропускают постоянный ток, соответствующий внешнедиффузи- онной области термокаталитического окисления горючего газа, в которой коэффициент преобразования чувствительного элемента практически не зависит от его температуры разогрева. Усиленный выходной сигнал датчика суммируют с напряжением смещения Е, подаваемым на электромагнит. Затем последовательно с чувствительным элементом датчика вводят дополнительное постоянное сопротивление, имитирующее увеличение коэффициента преобразования чувствительного элемента и равное 10 - 20% от величины сопротивления разогретого чувствительного элемента. При этом соответственно увеличивается выходной сигна датчика. Его также усиливают и суммируют с напряжением смещения Е, подаваемым на электромагнит, т.е. увеличивают напряжение питания электромагнита. Это приводит к уменьшению выходного сигнала датчика и возвращению его практически к исходному значению.

Таким образом, общий коэффициент преобразования термохимического датчика, определяемый как отношение изменения напряжения питания электромагнита к соответствующему изменению концентрации горючего газа., поддерживают практически постоянным. Если

коэффициент усиления дополнительного усилителя выбирают достаточно большим, например равным тысячам-десят- кам тысяч (точное значение коэффици

ента зависит от конкретного исполнения датчика и устанавливается при настройке и калибровке), то диапазон изменения напряжения питания электромагнита (с учетом воздействия на электромагнит усиленного выходного сигнала датчика) выходит за линейную область, определяемую снятой зависимостью, т.е. благодаря значительному

усилению выходного сигнала датчик переводят в релаксационный режим работы. В этом случае наряду с подаваемым напряжением смещения Е на задействованном электромагните появляется модулирующее, как правило, импульсное напряжение, амплитуда которого определяется предельными возможностями усилителя и электромагнита, а частота изменения которого пропорциональна величине контролируемой концентрации. Таким образом, концентрацию горючего газа в данном случае определяют преимущественно по изменению частоты или скважности появляющегося в результате релаксационного процесса модулирующего напряжения питания электромагнита.

Перевод датчика в релаксационный режим работы позволяет упростить согласование выходного сигнала датчика с лпироко. используемой для его обработки микро-ЭВМ, повысить точность контроля в связи с тем, что в релаксационном режиме работы датчика проще и полнее осуществляется компенсация .многих возмущающих факторов, например таких, как температура и давление окружающей среды, а также уход нуля измерительной схемы датчика, без дополнительных затрат расширить диапазон контролируемых концентраций. Все это способствует, снижению эксплуатационных затрат при использовании способа.

Способ может быть использован, например, в исследовательских целях для определения коэффициента диффузии или других параметров горючих компонентов в воздухе. Для этого за

счет увеличения размеров реакционной камеры или уменьшения ее газопроницаемости увеличивают транспортное запаздывание и (или) постоянную времени поступления анализируемой смеси

в реакционную камеру датчика до появления на задействованном электромагните переменной (модулирующей) составляющей напряжения его питания и, соответственно, магнитного поля. Концентрацию горючего газа в смеси определяют в этом случае по изменению частоты,или по соотношению дли- . тельностей полупериодов переменной составляющей магнитного поля.

Пример. В качестве чувствительного элементе датчика использу- ,ют электрокаталитический элемент,представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 - 1,2 мм из у-окиси алюминия. Внутри его вмонтирована цилиндрическая спираль .из 18 витков платиновой проволоки диаметром 0,03 мм, являющаяся одновременно нагревателем чувствительного элемента до его рабочей температуры и темпе- ратурозависимым сопротивлением (тер20 смещения Е. Величину напряжения смещения ЕО устанавливают соответствующей началу линейного участка экспериментально полученной зависимости изменения выходного сигнала датчика

морезистором), преобразующим увеличение температуры чувствительного эле- 25 от напряжения питания электромагнита меита от окисления на нем горючего „р отсутствии электрической связи газа в прирост электрического сопротивления спирали. Чувствительный элемент включают в измерительную схему, например в дифференциальный элек- зо достигающий 50 мВ при концентрации трический мост, с помощью которой горючего газа (например, метана), преобразуют изменение сопротивления спирали в выходной сигнал датчика. Реакционную камеру датчика изготавливают из

„стали, преимущественно в виде стакана действованном электромагните. Точное диаметром 10 мм и длиной 12 мм. Б ре- значение коэффициента усиления до- акционную камеру устанавливают чувствительный элемент, изолировав его

между выходом датчика и катушкой электромагнита. В данном случае Е равно 2 В. Выходной сигнал датчика.

равной 1 об.%,. усиливают примерно в 100 - 200 раз с помощью усилителя напряжения и суммируют с Е, на заполнительного усилителя выставляют экспериментально при настройке и калибровке датчика, подавая к нему

токоподводящие стойки от корпуса каполнительного усилителя выставляют экспериментально при настройке и калибровке датчика, подавая к нему

меры. Свободный торец стакана закры- д эталонную смесь с концентрацией говают газопроницаемой металлической сеткой. Изменяющееся магнитное поле создают с помощью электромагнита постоянного тока, состоящего из цилиндрической катущки, намотанной медным проводом диа метром 0,21 мм и содержащей 2000 витков. Катушку устанавливают в стальной магнитопровод, выполненный в виде стакана диаметром 55 мм и длиной 30 мм с концентрически расположенным в нем стальным сердечником диаметром 14 мм и длиной 30 мм. Реакционную камеру датчика устанавливают в углубление в торце сердечника электромагнита, со стороны, свободной от магнитопровода. С этой же стороны для усиления действи магнитного поля устанавливают стальную пластину, изготовленную в,виде

круга диаметром, соответствующим диаметру электромагнита,- Толщину пластины выбирают равной 0,1 - 0,2мм, исходя из ее механической прочности

и малого веса (массы). Усредненный зазор между торцевой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментально, преимущественно в диапазоне 0,1 - 5,0 мм. Зазор меньше

0,1 мм требует тщательной технологической подгонки торцевой части электромагнита и пластины. Зазор больше 5,0 мм требует значительного (превышающего предельно допустимое значение) увеличения напряжения питания электромагнита при реализации спосо- -ба,

В процессе контроля на электромагнит подают постоянное напряжение

смещения Е. Величину напряжения смещения ЕО устанавливают соответствующей началу линейного участка экспериментально полученной зависимости изменения выходного сигнала датчика

от напряжения питания электромагнита „р отсутствии электрической связи достигающий 50 мВ при концентрации горючего газа (например, метана),

от напряжения питания электромагнита „р отсутствии электрической связи достигающий 50 мВ при концентрации горючего газа (например, метана),

между выходом датчика и катушкой электромагнита. В данном случае Е равно 2 В. Выходной сигнал датчика.

от напряжения питания электромагнита „р отсутствии электрической связи достигающий 50 мВ при концентрации горючего газа (например, метана),

действованном электромагните. Точное значение коэффициента усиления до-

равной 1 об.%,. усиливают примерно в 100 - 200 раз с помощью усилителя напряжения и суммируют с Е, на задействованном электромагните. Точное значение коэффициента усиления до-

полнительного усилителя выставляют экспериментально при настройке и калибровке датчика, подавая к нему

эталонную смесь с концентрацией горючего газа, соответствующей верхней границе диапазона измерения -(в данном случае 2 об.%),

45 Формула изобретения

), Способ автоматического контроля концентрации горючих га.зов термохимическим датчиком, включающий изме50 нение режима работы датчика при увеличении, концентрации горючего газа в анализируемой смеси и определение концентрации горючего газа по величине изменившегося параметра, о т л и -

55 чающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, при увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих

713А69958

газов термохимическим датчиком путем уменьшения ее газопроницаемости уве- синхронного увеличения величины маг- личивают время запаздывания поступ- нитного поля, воздействующего на дат- ления анализируемой смеси в реакци- чик, и (или) уменьшения сечения ка- онную камеру до появления переменной нала поступления анализируемой смеси 5 составляющей магнитного поля, а кон- с датчику.центрацию горючего газа в смеси определяют по изменению частоты или по

2. Способ по п. 1,отлича- отношению длительностей полупериодов .ю щ и и с я тем, что путем увели- переменной составляющей магнитного чения объема реакционной камеры или О поля.

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению и может использоваться для контроля утечек природного газа из трубопроводов. Цель изобретения - повышение точности контроля и снижение трудоемкости настройки и калибровки. Канал поступления анализируемой смеси формируют с помощью торца сердечника электромагнита и намагничивающейся пластины, установленной перед реакционной камерой. При увеличении концентрации горючего газа увеличивают напряжение питания электромагнита, которое служит мерой концентраций . 1 3. п. ф-лы. i (Л оо 4 О5 СО со ел