Способ термокаталитического анализа Советский патент 1992 года по МПК G01N27/16 

31735755

кого равновесия элементов с окружающей

(средой.

Наиболее близким к предлагаемому Является способ термокаталитического анализа газов при сжигании их на поверхности чувствительного элемента, включенного в мостовую измерительную схему, температуру которого поддерживают постоянной путем изменения нал- ряжения питания моста, температуру экрана, окружающего чувствительный элемент, периодически изменяют и. судят о калорийности горючих газов по напряжению на чувствительном элемен- те

Однако способ неэкономичен,та к как из-за больших габаритов экрана (много больших размеров чувствительного элемента) для периодического изменения его температуры требуется значительная мощность„ Способ инерционен из-за Значительной длительности процесса установления температуры массивного экрана.

Цель изобретения - повышение экономичности и быстродействия газового анализа„ Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термокаталитического анализа горючих газов при сжигании в среде окислителя на поверхности чувствительного элемента, температуру которого поддерживают одинаковой с температурой компенсационного элемента при помощи мостовых измерительных схем, предварительно находят зависимости выходных сигналов чувствительного элемента от температуры его поверхности при различных значениях содержания горючих газов по крайней мере в начале, середине и конце диапазона измерений0 Затем определяют интервал температур, в пределах которого значения выходного сигнала во всем диапазоне измерений находятся в линейной области. После подачи на чувствительные элементы анализируемой смеси, зафиксировав значение температуры внутри найденного интервала на чувствительном и компенсационном элементах изменяют синхронно температуры обоих элементов на величину предела линейного участка зависимости вваодного сигнала чувствительного элемента от температуры. По величине разности пе- ременных напряжений на элементах определяют содержание горючих газов в / ана/тщируемой смеси.

0

5

5

5

0

Изменение температур элементов, если анализируемый газ не содержит горючих компонентов, может быть осуществлено, например, изменением номиналов резисторов мостов. При равенстве температур элементов и их синхронном изменении разностный сигнал с идентичных по теплофизическим парам ет- рам чувствительного и компенсационного элементов, которые симметрично установлены в реакционной камере, будет близок к нулю независимо от давления и температуры анализируемого газа

При наличии горючих компонентов на элементах появятся разностные сигналы как по постоянному, так и по переменному току Причем сигнал по переменному току будет получен, если диапазон изменения температуры элементов лежит в области монотонной зависимости степени термокаталитического сгорания от температуры поверхности элементов В этом случае в процессе изменения температуры чувствительного элемента будут изменяться мощность термокаталитической реакции и в противо- фазе подводимая электрическая мощность, так что температуры элементов равны друг другу и изменяются синхронно в соответствии с программой. Модуляция температур элементов выбирается небольшой ( 30% от ее среднего значения )о При этом переменный сигнал в сравнении с постоянным стабилизируется значительно быстрее, так как величина сигнала по переменному току определяется только термокаталитической реакцией и не зависит от медленного процесса установления термодинамического равновесия реакционной камеры.

По величине постоянной составляющей сигнала с компенсационного элемента судят о теплоотводе тепла через газ и определяют давление. Это позволяет из регистрируемого сигнала точно выделить, сигнал, соответствующий содержанию горючих компонентов газа (калорийности анализируемого газа).

На чертеже представлена схема термокаталитического анализатора д&я реализации предлагаемого способа.

Газоанализатор содержит реакционную камеру 1, в которой симметрично - .размещен чувствительный 2 и компенса- щионный 3 элементы. Чувствительный элемент 2 в сочетании со стабильными резисторами Ц и 5, резистором с улравляемым номиналом 6 и усилителем 7, подключенный к измерительной диагонали, -образуют измерительный мост„ Выход усилителя 7 подключен к питающей мост диагонали. Компенсационный элемент 3 совместно со стабильными резисторами 8 и 9, резистором с управляемым номи10

5

20

25

30

налом 10 и усилителем 11 образуют компенсационный мост, аналогичный измерительному. Сигналы с чувствительного 2 и компенсационного 3 элементов поступают на регистрирующее микропроцессорное устройство 12,

Способ термокаталитического анализа горючих газов осуществляется следующим образом.

Предварительно в реакционную камеру 1 газоанализатора напускают негорючую газовую смесь (газ-носитель) , При включении сигналы разбаланса мостов поддерживаются на минимальном уровне. усилителями 7 и 11, а температуры элементов 2 и 3 определяются номиналами резисторов Ц - 6 и 8 - 100 Номиналы

резисторов 6 и 10 синхронно и периодически (например, синусоидально) изменяются в соответствии с программой, заложенной в микропроцессор 12, Во всем диапазоне заданного интервала синхронного изменения температур элементов 2 и 3 напряжения на них отличаются из-за небольшой их нчгидентич- ности, разных условий обдува газом и теплообмена с реакционной камерой. Два последних фактора оказывают влияние лишь на сигнал по постоянному току и несущественны для переменной составляющей Первый фактор легко устраним симметрированием напряжений на термоэлементах 2 и 3 с помощью резисторов 6 и 10 о

Следующий этап - напуск в реакционную камеру каталитически превращаемой компоненты с различными концентрациями. На чувствительном элементе 2 в результате реакции выделится дополнительная мощность причем она будет периодически изменяться в соответствии с заданным режимом изменения температур элементов 2 и 3. При этом усилители 7 и 11 отрабатывают напряжения питания мостов так, чтобы температуры элементов не зависели от калорийности, давления смеси и от внешних условий., Переменная составляющая этого напряже- ss ф ° ния стабилизируется значительно быстрее постоянной, так как время стабили- Ьации переменной составляющей пропор-циоэле нов а д пор мен сиг рег иро цен ет рис 3 к дит опр вой Зат в о рос тем мод с э мен чен тан нал в 1

нал нап газ или

35 мен нап нос рюч теп чих рис дар

чен

45 тог стви нев ше род

50 ния ции терм нени

40

за г

0

5

0

5

0

s ф °

ционально тепловой постоянной термо-. элементов и скорости установления рав- новесной термокаталитической реакции, а для постоянной составляющей - пропорционально тепловой постоянной времени реакционной камеры. Разностный сигнал с элементов 2 и 3 поступает в регистрирующее устройство 12, отградуированное в единицах давления, концентрации и калорийности, что позволяет построить градуировочную характеристику „ На компенсационном элементе 3 каталитической реакции не происхо- дит-и рассеиваемая на нем мощность определяется теплопроводностью газовой среды и соответственно давлением. Затем, выбрав температуру элементов в области монотонной зависимости скорости термокаталитической реакции от температуры (например, для метана 3 0-380°С) и осуществив ее 30%-ную модуляцию с частотой 6 k Гц, получим с элементов разностный сигнал пп переменному току, среднеквадратично значение которого для 2 %-ной смеси метана в кислороде (5 мВ) меньше CHI- нала по постоянному току (100 мВ) в 10-30 раз.

Используя факт прямой пропорциональности между квадратом разности напряжений с элементов и калорийностью газовой смеси можно определить состав или калорийность анализируемой смеси. Таким образом, используя экспери5 ментально снятую зависимость между напряжением с элементов и калорийностью газовой смеси (содержанием горючих компонентов), можно определить теплоту сгорания анализируемых горючих газов по градуировочной характеристике, определенной с помощью стандартных образцов горючего газа.

Предлагаемый способ более экономичен в сравнении с известным за счет

5 того, что для нагрева небольшого чувствительного элемента до относительно невысокой температуры требуется меньше энергии и времени„ Повышение быстродействия достигается путем повыше0 ния скорости термокаталитической реакции ма поверхности измерительного термоэлемента при периодическом изменении его температуры„

0

рмула изобретения

ф °

Способ термокаталитического анализа горючих газов при сжигании их в

среде окислителя на поверхности чувствительного элемента, температуру которого поддерживают одинаковой с температурой компенсационного элемента при| помощи мостовых измерительных схем, отличающийся тем, что, с

целью повышения экономичности и быстродействия, предварительно находят зависимости выходных сигналов чувствительного элемента от температуры его поверхности при различных значениях содержания горючих газов по крайней мере в начале, середине и конце диапазона измерений и определяют интервал температур, в пределах которого зна

5

чения выходного сигнала во всем диапазоне измерений находятся в линейной области, после подачи на чувствительные элементы анализируемой смеси, зафиксировав значение температуры внутри найденного интервала на чувствительном и компенсационном элементах, изменяют синхронно температуры обоих элементов на величину предела линейного участка зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от температуры и по величине разности переменных напряжений на элементах определяют содержание горючих газов в анализируемой смеси„

Использование; аналитическое приборостроение, в частности разработка газоанализаторов, калориметров и систем контроля„ Сущность изобретения: сжигают горючие газы на поверхности чувствительного элемента, температуру которого поддерживают одинаковой с температурой компенсационного элемента при помощи мостовых измерительных схем„ Предварительно находят Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при разработке газоанализаторов, калориметров и систем контроля на объектах теплоэнергетической, металлургической и нефтехимической промышленности. Известен способ термокаталитического анализа горючих газов при сжигании их на поверхности чувствительного элемента , включенного в мостовую измериэависимости выходных сигналов чувствительного элемента от температуры его поверхности при различных значениях содержания горючих газов (калорийности) в пределах диапазона измерений, но не менее чем в трех точках (начало, середина, конец)4 Затем определяют интервал температур, в пределах которого значения выходного сигнала во всем диапазоне измерений находятся в линейной области Далее, зафиксировав значение температуры внутри найденного интервала на чувствительном и компенсационном элементах, скачкообразно изменяют мощность электрического тока и находят постоянную времени переходного процесса; синхронно изменяют температуры обоих элементов на величину предела линейного участка зависимости выходного сигнала чувствительного элемента от температуры с периодом от двукратного до десятикратного значения их постоянной времени. Содержание (калорийность) горючих газов определяют по величине разности переменных напряжений на элементах 2 ил„ тельную схему, температуру которого поддерживают постоянной путем изменения напряжения питания моста, температуру компенсационного элемента также поддерживают постоянной, а по величине разности напряжений на элементах судят о калорийности горючих газов„ Недостаток этого способа заключается в малой точности и большой инерционности газового анализа, вызванных процессом установления термодинамичесЈ (Л СлЭ О1 -4 сл ел