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

Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля горючих газов в воздухе или ином окислителе с использованием термохимического датчика, и может быть использовано при контроле утечек природного газа из магистральных газопроводов.

Целью изобретения является расширение возможностей использования способа за счет повьшения надежности быстродействия и точности контроля при циклическом поступлении к датчику анализируемой смеси.

Согласно способу автоматического к онтроля горючих газов термохимическим датчиком модуляцию интенсивности поступления анализируемой смеси в реакционную камеру датчика производят с помощью циклически изменяюп1егося во времени магнитного поля, В зону действия поля устанавливают реакционную камеру. Синхронно и противофазно с изменением магнитного поля изменяют сечение канала поступления анализируемой смеси к реакционной камере датчикав Дпя этого в зону действия циклически изменяющегося магнитного поля помещают пластину из упругого магнитного материала, являющуюся подвижной стенкой канала поступления

анализируемой.смеси. Способ включает операцию контроля амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика. Для увеличения ресурса работы датчика возможен режим работы, при котором при увеличении концентрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяняцегося во времени магнитного поля.

Сущность способа заключается в следующем,.

Реакционную камеру термохимического датчика, изготавливаемую преимущественно из намагничивающегося материала, например из железа или его сплавов, устанавливают в зону действия магнитного поля, Реакцион- нал камера имеет канал для поступления в нее анализируемой смеси или же стенки ее имеют пористую структуру, способствующую проникновению смеси в реакционную камеру. Возможен вариант способа, в котором реакционной камерой датчика служит свободная полость в торцевой части сердечника электромагнита. Дпя осуществление

контроля на электромагнит подают постоянное напряжение смещения Е, и модулирующее напряжение Е. Величину

постоянного напряжения смещения Eg выбирают соответствующей преимущественно линейному участку зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. МодулиРУЮЩее напряжение Ед выбирают с учетом трех характеризующих его параметров: амплитуды, частоты и формы. Амплитуду Е выбирают, большей частью, в диапазоне от минимального

значения, определяемого чувствительностью термохимического датчика, при котором еще технически возможно выделение на фоне собственных 01умов датчика переменной составляющей его

выходного сигнала, до максимального значения, соответствующего предельно допустимому рабочему напряжению электромагнита. Частоту напряжения Е„ выбирают преимущественно в диапазоне от минимального значения,

определяемого частотой изменения концентрации горючего газа в контролируемой смеси, до максимального значения, соответствующего величине, обратно пропорциональной постоянной времени поступления (подачи) анализируемой смеси в реакционную камеру датчика И ее каталитического окисления (преобразования) чувствительным элементом. Выбор частоты изменения модулирующего напряжения Ед ниже минимального значения приводит к снижению быстродействия контроля. Выбор частоты Ед выше рекомендуемого максимального значения приводит к сни40

жению чувствительности, а следовательно, и точности контроля. Форму модулирующего напряжения выбирают преимугдественно импульсной или синусоидальной, как наиболее прием 5 лемые при реализации способа и при обработке сигналов от электромагнита и термомеханического датчика. Возможен вариант способа, в котором форму Eff выбирают трапецеидальной. Это

50 позволяет уменьшить электромагнитные помехи и электрические нагрузки при работе электромагнита.

При отрицательной амплитуде моду- gg лирующего напряжения Е уменьшается напряженность магнитного поля в зоне установки реакционной камеры. При этом возрастает интенсивность диффузии анализируемой смеси к чувствительному элементу датчика. Большая часть (большее количество) горючего газа смеси успевает окислиться на каталитической поверхности чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры и появлению положительной амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика.

При положительной амплитуде модулирующего напряжения Е, происходит обратный процесс. При этом появляется отрицательная амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика, В случае отсутствия горючего газа в контролируемой смеси изменения температуры чувствительного элемента не происходит и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика практически равна нулю. При увеличении концентрации горючего газа в смеси возрастает и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика. По ее величине определяют концентрацию горючего газа в анализируемой смеси.

Возможен вариант способа, в котором концентрацию горючего газа определяют раздельно как по амплитуде положительного, так и отрицательного полупериодов переменной составляющей выходного сигнала датчика, а затем проводят взаимную коррекцию полученных результатов. Это позволяет повысить точность и надежность контроля. Возможен также вариант способа, в котором модулирующее напряжение E.д получают путем изменения в определенных пределах напряжения смещения Ед, величину которого выбирают за пределами линейного участка зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. Это позволяет упростить реализацию способа. Для определения типа контролируемого горючего компонента (например, водород или метан присутствуют в смеси), измеряют разность фаз (фазовый сдвиг) между модулирующим напряжением питания электромагнита Ед и переменной составляющей вьпсодного сигнала датчика Hj, Причем за начальные моменты отсчета, между которыми измеряется фазовый сдвиг, принимают начало роста амплитуды Е от О в сторону положительных значений; начало роста амплитуды переменной составляющей И от О в сторону

отрицательных значений, I

Важен вариант способа, в котором

одновременно (синхронно) с увеличением концентрации горючего газа в смеси уменьшают переменную (модулирующую) составляющую напряжения питания задействованного электромагнита.

Это позволяет стабилизировать общий коэффициент преобразования датчика К„ в широком диапазоне изменений коэффициента преобразования чувствительного элемента Кц, что способствует повышению точности контроля. Суть . модификации способа состоит в следующем. На задействованный электромагнит подают напряжение смещения Ед. Дополнительно на катушку электромагнита подают модулирующее (как правило, импульсное или синусоидальное) напряжение питания Е, величину (амплитуду) которого устанавливают также преимущественно в пределах линейной области зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. Таким образом, на электромагнит воздействуют суммарным напряжением с постоянной составляющей E и переменной (модулирующей) составляющей Е, т,е, Eg ± Е. При этом с помощью изменения напряжения питания задействованного электромагнита периодически изменяют (модулируют) интенсивность поступления контролируемой смеси в реакционную камеру датчика. В результате этого изменяется интенсивность каталитического окисления горючего

газа чувствительным элементом и на выходе датчика (при наличии горючего газа в контролируемой смеси) появляется переменная составляющая, которую усиливают с помощью усилителя

напряжения (тока) и преобразуют с помощью амплитудного детектора в пропорциональное амплитуде переменной составляющей постоянное напряжение

Ид, Затем с помощью Ид, воздействуют на источник (генератор) модулирующего напряжения Е, уменьшая его амплитуду (и, следовательно, суммарное напряжение питания электромагита) , Таким образом, в процессе контроля при наличии горючего газа в смеси появляющуюся на выходе датчика переменную составляющую выходного сигнала датчика Ид (или Ид,) частично уменьшают (компенсируют) путем

уменьшения амплитуды модулирующего напряжения Е. Это способствует стабилизации общего коэффициента преобразования датчика Кд при произвольном изменении коэффициента преобразования чувствительного элемента К., происходящем, например, при отравлении катализатора чувствительного элемента агрессивными компонентами смеси. Концентрацию горючего газа, согласно приведенной модификации, определяют по увеличению переменной составляющей выходного сигнала датчика (т.е. по увеличению оставшейся

нескомпенсированной ее части). Полу- 15 диаметром, соответствующим диаметру

электромагнита. Толщину пластины выбирают из соображений ее механической прочности и гибкости, например 0,2 мм. Усредненный зазор между торчение модулирующего напряжения Е, на.фоне постоянной составляющей Е в приведенной модификации способа реализуется проще путем изменения самого Eg с помощью дополнительного регулятора, управляющего задающим генератором модулирующего напряжения

Пример, В качестве чувствительного элемента датчика используют термокаталитический элемент, представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 - 1,2 мм изj -окиси алюминия, внутри которого вмонтирована цилиндрическая спираль из 18 витков платиновой проволоки диаметром 0,03 мм, являющаяся одновременно нагревателем чувствительного элемента до его рабочей температуры и тем- пературозависимым сопротивлением (терморезистором), преобразующим увеличение температуры чувствительного элемента от окисления на нем горючего газа в прирост электрического сопротивления спирали. Чувствительный элемент включают в измерительную схему, например в дифференциальный электрический мост, с помощью которой преобразуют изменение сопротивления спирали в выходной сигнал датчика. Реакционную камеру датчика изготавливают из стали (мар- |ка Ст-3), преимущественно в виде стакана диаметром 10 мм и длиной 12 мм, В реакционную камеру устанавливают чувствительный элемент, изолировав его токоподводящие стойки от корпуса камеры. Свободный торец стакана закрывают газопроницаемой металлической стойкой. Изменяющееся во времени магнитное поле создают с помощью электромагнита постоянного тока, состоящего из цилиндрической катушки, намотанной медным проводом диаметр зм

0,2 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 действия магнитного поля устанавливают стальную упругую пластину, изготовленную в виде круга

диаметром, соответствующим диаметру

электромагнита. Толщину пластины выбирают из соображений ее механической прочности и гибкости, например 0,2 мм. Усредненный зазор между торценой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментально преимущественно в диапазоне 0,1-5,0 мм, Зазор меньше 0,1 мм требует тщательной технологической подготовки торцевой части электромагнита и пластины. Зазор больше 5,0 мм требует значительного увеличения напряжения питания электромагнита при реализации способа. Возможен вариант способа,

в котором форма пластины повторяет форму торцевой части электромагнита. Например, если торцевая часть электромагнита имеет конусообразную форму, то и в намагничивающейся пластине формируют же конус. При этом увеличивается длина между торцевой частью электромагнита и устанавливаемой пластиной, что способствует повышению эффективности модуляции, а значит снижению требуемого для этого напряжения питания электромагнита,

В процессе реализации способа на электромагнит подают постоянное напряжение Eg, равное 6 В, и модулиру- кяцее напряжение Ед, амплитудное значение которого равно 3 В, частота изменения 0,5 Гц, Переменную составляющую выходного сигнала датчика контролируют с помо1чью измерительного порогового устройства, уровень срабатывания которого соответствует сигнальной концентрации горючего газа в смеси. Например, для концентрации, равной 2 об,% метана в воздухе, амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика достигает 10 мВ, Для надежного срабатывания измерительного порогового устройства

переменную составляющую выходного сигнала датчика усиливают с помощью усилителя переменного напряжения примерно в 100 раз, Состав присутствующего в смеси горючего газа опреде- ляют путем измерения фазового сдвига (временного запаздывания) между единовременными значениями модулирующего напряжения Ед, и переменной составляющей выходного сигнала датчика Ид,. Такие измерения проводят с помощью электронно-счетного частотомера 43-32. При этом для частоты модуляции, равной 0,5 Гц, фазовый сдвиг, например, для водорода составляет 0,63 рад (или 36 ), а для метана - 2,5 рад (или 143 ). Разности фаз для интересующих горючих газов определяют предварительно для каждого из них путем подачи к датчику эталонных газовых смесей, содержащих интересующие компоненты.

Формула изобретения

1. Способ автоматического контроля горючих газов термохимическим датчиком, включающий модуляцию интенРедактор И. Николайчук

Составитель В. Екаев

Техред М.Ходанич Корректор Г. Решетник

Заказ 5115/42Тираж 775Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

сивности поступления анализируемой смеси в реакционную камеру датчика с помощью циклически изменяющегося во вр.емени магнитного поля, в зону действия которого установлена реакционная камера, и контроль при этом амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика, о т л и чающийся тем, что, с целью расщирения возможностей использования способа за счет повьшения точности контроля, синхронно и противо- фазно с изменением магнитного поля изменяют сечение канала поступления анализируемой массы к реакционной камере датчика путем помещения в зону действия циклически изменяющегося магнитного поля пластины и упругого магнитного материала, являющейся подвижной стенкой канала поступ- - ления анализируемой смеси.

j JQ

2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что при увеличении 25 концентрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяющегося во времени магнитного поля.