Термокаталитический детектор горючих газов Советский патент 1983 года по МПК G01N27/16 

Изобретение относится к газовому анс1яизу/ в частности к термохимическим устройствам для измерения концентрации горючих газов, и может найти применение в качестве термочувствительного элемента в системах регулирования и контроля содержания горючих газов в атмосфере производственных помещений, в угольных шахтах, для определения концентргщии горючих .газов в продуктах сгорания или уходяощх газах различньох технологических процессов.

Известен термокаталитический датчик горючих газов, действие которого основано на использовании термического эффекта окисления горючей компоненты на поверхности носителя с катализатором. Датчик содержит рабочую и компенсационную термочувствительные ячейки, включенные в смежные плечи мостовой схемл. Каждая ячейка выполнена в виде капсулы из пористого керамического материала. Внутри капсулы находится нагревательная спираль, служащая одновременно термометром сопротивления. Поверхность капсулы рабочей ячейки покрыта мелкодисперсным катализатором, в качестве которого используются хлориды платины и

палладия. При нгшичии горючей компоненты в газовой смеси происходит ее каталитическое окисление на поверхности рабочей ячейки. Сопровождающий химическую реакцию процесса окисления тепловой эффект, в свою очередь, приводит к изменению температуры рабочей ячейки относительно ксялпенсационной. Возникающий при таком изменении тем10пературы разбаланс мостовой схемы служит мерой концентрации гориочего газа в смеси til.

.Недостатком этого детектора является его низкая чувствительность, на15личие искажений, вносй7«1х в показания трудно устранимьш разбалансом мостовой схемы за счет несимметричных условий теплообмена рабочей и компенсационной ячеек с окружгшадей средой.

20 Кроме того, значительные погрешности возникают вследствие несимметричного, распределения температуры элементов ; ограждаквдей конструкции, а также флюктуации температуры анализируемо25го газового потока. Все это заметно снижает обнаружительную способность детектора.

Наиболее близким к пЕ едлагаемому по технической сущности является тер30мокаталитический детектор горючих газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и naccHBHtiM покрытиями на пористом носителе и состоящий из идентичных по форме и геометрическим размерам активной и пас сивной ячеек, размещенных в обогрева емоП камере. Ячейки представляют собой два покрытых керамическим слоем спая дифференциальной,-хромель-ата 1елевой термопары. На поверхности активной рабочей ) ячейки нанесен мелкодисперсный катализатор - платинова паста, на котором протекает окисленн СО в COj. Возникающий при этом тепло вой эффект реакции вызывает дополнительный нагрев рабочей ячейки. Соответствующий ему электрический сигнал дифференциальной термопары пропорционален концентрации СО и служит его мерой t21. В данном техническом решении частично устранены искажения за счет самопроизвольного разбаланса мостовой схемы. Однако пограпности, обусловленные несимметричным воздействием от неравномерного распределения температуры в камере и флюктуации температуры газового потока пробы сохраняются. Кроме того, чувствитель ность и обнаружительная способность детектора остаются низкими, так как (значительная часть тепловой энергии от каталитического окисления рассеивается в окружающую среду, а поверхность гетерогенного реагирования ограничена инерционностью термодатчика, которая растет пропорционально квадрату размера ячейки. Целью изобретения является повыше ние чувствительности и улучшение обнаружительной способности тёрмоката(Литического детектора горючих газов Поставленная цель достигается тем что термокаталитический датчик горючих газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и пассивным покрытиями на пористом керамическом носителе, выполнен в виде термоэлект рически анизотропной пластины с системой параллельных разрезов, образующих последовательно соединенные ветви меандра, причем напрявление максимальной анизотропии в пластине составляет угол 45 с поверхностью пластины и с продольным направлением ветвей меандра, при этом кгикдая из ветвей меандра, содержит с одной стороны каталитически активное, а с противоположной стороны - каталитически пассивное ПОКЕЯЛТИЯ, чередующиеся в смежных ветвях меандра на каждой стороне пластины. В сравнении с известным в предла гаемом устройстве сводятся к минимум искажения, вносимые в показания дете тора неизотермичностью и флюктуациями температуры контролируемой газовой среды и элементов огреивдающей конструкции. Каждая ветвь меандра из термоэлектрически анизотропной пластины эквивалентна батарее большого числа последовательно соединенных дифференциальных термопар, сигнал которых суммируется. В детекторе непосредственно определяется мощность энерговыделения гетерогенного процесса каталитического окисления, более достоверно отображающая количественную характеристику состава, т.е. концентрацию горючего газа в смеси, все это .способствует повышению чувствительности детектора и улучшению его обнаружите ьной способности. На фиг. 1 показана конструкция термокаталитического детектора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Детектор содержит термоэлектрический преобразователь теплового потока, представляЕСИций собой тер1«зэлектрически анизотропную пластину с системой параллельных разрезов 1, образующих последовательно соединенные ветви меандра 2 с токосъемными выводами 3. Обе плоскости пластины покрыты тонким слоем керамического носителя 4 на основе . В чередующемся порядке на ветви покрлтого пористой керамической массой термопреобразователя нанесен мелкодисперсный платино-палладиевый катгшизатор 5. При этом каждая ветвь меандра с одной стороны содержит каталитически активное покрытие, а с противоположной - пассивное. Детектор установлен в камере, куда подается анализируеMeiH газовая смесь, предварительно подогретая до температуры начала каталитического окисления горючей компоненты. Термокаталитический детектор горючих газов работает следующим образом. При контакте подогретой газовой смеси с активными поверхностями ветвей меандра происходит кг1тапитическая реакция окисления горючей компоненты, сопровождающаяся соответствующим тепловым эффектом. Под действием последнего возникает .ветвей меандра 2 со стороны катгшитически активного покрытия 5, вызывающий появление градиента темперг туры в направлении от активного 5 к пассивному покрытию 4. В результате того, что в смежных ветвях меандра активное и пассивное покрытия чередуются, гргшиент температуры в соседних ветвях направлен в противоположные стороны. Под действием градиента температуры вследствие анизотропии термоэлектрических свойств пластины вдоль каждой, ветви меандра генерируется поперечная относительно направления градиента температуры ЭДС U. При этом направление максимальной.анизотропии в пластине составляет угол 45° с поверхностью пластины и продольным направлением ветвей меандра, что обеспечивает наибольшую эффективность термопреобразования в датчике. Меха, низм работы такого термодатчика подобен действию преобразователя из большого числа последовательно соеди ненных дифференцигшьных термопар. Поскольку градиенты температуры в соседних ветвях взаимно противополож ,ны, электрические сигналы ветвей меандра складывсются. Таким образом, снимаемой с токосъемных выводов 3 результирующий сигнал пропорционален мощности энерговыделения от реакщт катсшитического окисления и служит мерой концентрации горючей компонент в газовой смеси. Помимо полезного сигнала за счет теплоты реакции каталитического окис ления детектор воспринимает также тепловой поток, обусловленный неизотермичностью газовой среды и несимметричным распределением температуры в элементах ограничивающей конструкции, что влечет за собой появление дополнительной составляющей градиент температуры в ветви меандры. Однако вследствие того, что термопреобразователь детектора выполнен в виде термоэлектрически анизотропной пластины с указанной системой разрезов, электрические сигнашы в соседних ветвях меандра, вызванные дополнительной составляющей грашиента температуры, которая в отличие от основной составляющей направлена во всех ветвях меандра в одну и ту же сторону, компенсируются. Таким образом, искажения, вноси14ле в показания детектора неизотермичностью и ф нокту ациями температуры окружающей среды, устраняются. Тем самом повьяяается чувствительность детектора и улучшается его обнаружительная способность По сравнению с известными устройствами предлагаемый детектор обеспечивает повьмение технико-экономиче- ской эффективности в связи с тем, что детектор работает аналогично батарее из большого числа последовател но включенных термоэлементов, а его сигнал не зависит от толщины тертоэлектрически анизотропного термода чика и определяется только эффективной длиной меандры, чувствительность такого датчика в 3-4 раза превяяает чувствительность прототипа. При этом детектор может быть выполнен тонкостенным, а следовательно, я малоииер ционным, поскольку генерируемЕлй преобразователем сигнал не зависит от его толщины, а определяется градиентом температуры по толщине пластины. Вследствие того, что в конструкции детектора компенсируются искажения, вносимые в его показания неизотермичностью и флюктуациями температуры контролируемой газовой среды и элементов ограждающей конструкции, более чем на порядок увеличивается отнетиение полезного сигнала к сигналу шума, что улучшает обнаружительную способность детектора. Предлагаемый детектор характеризуется простотой и точностью измерения, поскольку исключена операция балансировки мостовой схекш и отпадает необходимость в тщательном термостатировании анализируемой просил. Достигаемое детектором повышение точности и улучшение обнаружительной способности при использовании его, например, в качестве термокаталитического детектора в анализаторе качества сжигания топлива на котлоагрегатах электростанций, позволяет наиболее полно контролировать и устранять химнедожог топлива. Это может обеспечить значительную экономию топлива. Детектор, кроме того, может найти эффективное применение в качестве термочувствительного элемента в си- . стемах регулированияи контроля содержания горючих газов в ат1тосфере различных производственных помещений, в угольных шахтах, щгя определения концентрации горючих газов в уходящих газах некоторых технологических процессов. Формула изобретения Термокаталитический детектор горючих газов, содержащий термодатчик с каталитически активным и пассивным покрытиями на пористом керамическом носителе, отл.ичаю-щийся тем, что, с целью повьваения чувствительности и улучшения обнаружительной способности детектора, он выполнен в виде термоэлектрически анизотропной пластины с системой параллельных разрезов, образующих последовательно соединенные ветви меандра, причем направление максимальней анизотропии в пластине составляет угол 45 с поверхностью пластию и с продольным направлением ветвей меандра, при этом каждгш яэ ветвей MeaHjc a содержит с одной стороны каталитически активное, а с противоположной стороыы - каталитически пассивное покрытия, чередующиеся в смежных ветвях меандра на каждой стороне пластины. Источники информгщии, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции 2357892, кл. G 01 N 27/16, 1978. 2.Патент США № 4063898, кл. G 01 N. 27/16, опублик. 1977 (прототип).