Термокаталітичний датчик горючих газів і парів

Винахід відноситься до області газового аналізу і може бути застосований у газоаналізаторах і сигналізаторах горючих газів і парів, що використовують термокаталітичний метод газового аналізу і, зокрема, у засобах ша хтної метанометрії. Відомі термокаталітичні датчики мають неоднозначну функцію перетворення. Це явище обумовлене тим, що при зростанні об'ємної частки горючого компонента вище стехіометричної концентрації термокаталітичний ефект через дефіцит кисню починає знижуватися. Наприклад, у термокаталітичних датчиків метану різке зниження вихідного сигналу настає при концентраціях від 35 до 60%; а при концентраціях від 85% і вище вихідний сигнал, практично, стає рівним нулю. Це одна з причин, по якій діапазон сигнальних концентрацій відомих приладів з термокаталітичними датчиками обмежується довибухонебезпечними концентраціями [див. Сигналізатор СГГ-4М Технічні умови ТУ 25-7407.043-91, № Госреєстра Росії 12809-99, ФДУП «СПО Аналитприбор», м. Смоленськ, Росія]. Для забезпечення однозначності інформації в комплекті з термокаталітичним датчиком повинний використовува тися другий, наприклад термокондуктометричний датчик, який має дуже низьку чутливість на довибухонебезпечних концентраціях (що не дозволяє використовувати його самостійно), але близьку до лінійної функцію перетворення в діапазоні об'ємних часток до 100% [див. Патент України №13933 А, кл. G01N27/18, 1995р.]. Найбільш близьким по технічній сутності і досягаємому ефекту є термокаталітичний датчик, чутливі елементи якого виконані у вигляді ідентичних спіралей із платинового мікропроводу, однаково покритих носієм каталізатора, і являють собою за формою суцільні циліндри [див. Природные опасности в шахта х, способы их контроля и предотвращения / Карпов Е.Ф., Клебанов Ф.С., Фирганек Б. и др. - М: «Недра», 1981. - С.312, 342, 343.]. Відмінність вимірювального чутливого елемента від компенсаційного полягає в тому, що він додатково оброблений каталітично активними речовинами. Чутливі елементи поміщені в реакційну камеру з пористого газопроникного матеріалу, що захищає їх від обдуву, попадання завислого пилу, крапель води, бруду і механічних ушкоджень. Через неоднозначність вихідні сигнали датчика на концентраціях 5 і 30 % ідентичні. Вихідні сигнали на чистому повітрі і чистому метані також ідентичні. Технічна задача, розв'язувана винаходом, полягає в розширенні діапазону сигнальних концентрацій термокаталітичного датчика до 100% об'ємної частки без застосування додаткового датчика. При цьому у всьому діапазоні сигнальних концентрацій (від концентрації, що відповідає порогові спрацьовування, до 100%) вихідний сигнал датчика не опускається нижче значення, що відповідає порогові спрацьовування. Для досягнення зазначеного ефекту один з чутливих елементів датчика виконаний у вигляді суцільного циліндра, а інший, - у вигляді порожнистого. При контролі горючих газів і парів, теплопровідність яких вище, ніж у повітря (метан, водень) порожнистим виконується компенсаційний чутливий елемент. При контролі горючих газів і парів, теплопровідність яких нижче, ніж у повітря (етан, пропан, бутан) порожнистим виконується вимірювальний чутливий елемент. Фізична сутність явищ, що відбуваються при цьому, полягає в наступному. Температура чутливих елементів датчика в певній мірі крім всіх інших умов (величини термокаталітичного ефекту, температури навколишнього середовища, електричної потужності, що розсіюється чутливими елементами, геометричних і конструктивних параметрів реакційної камери і чутливих елементів) визначається коефіцієнтом теплопровідності (l) газового середовища, що оточує чутливі елементи. Ступінь впливу коефіцієнта теплопровідності газового середовища, що оточує циліндричний чутливий елемент, поміщений у реакційну камеру, на його температуру (тобто чутливість по теплопровідності) визначається виразом [див. Газоанализаторы / Павленко В.А. - М., Л.: Ма шиностроение, 1965. - С.39]: (1) a=2pІ/ln(D/d) де a - постійна, що характеризує чутливість по теплопровідності; 1 - довжина чутливого елемента; D - характеристичний розмір перетину камери, у яку поміщений чутливий елемент; d - діаметр чутливого елемента. Аналіз цього виразу показує, що збільшення довжини шляху (1), по якому чутли вий елемент обмивається газом, і збільшення поверхні пограничного шару «чутливий елемент - газ» (1, d), приводять до збільшення теплопровідного ефекту. Стосовно метану виконання порожнистим компенсаційного чутливого елемента приводить до того, що на високих концентраціях, коли термокаталітичний ефект слабшає, компенсаційний чутливий елемент охолоджується за рахунок зносу тепла метаном значно ефективніше, ніж вимірювальний, що забезпечує збільшення вихідного сигналу датчика. Так як теплопровідний ефект приблизно в 20-40 разів слабше термокаталітичного, то на довибухонебезпечних концентраціях (для метану - до 5% об'ємної частки), де важлива компенсація заважаючих факторів компенсаційним чутливим елементом, штучна асиметрія, викликана порожниною в одному з чутливи х елементів не приводить до погіршень метрологічних параметрів датчика. У той же час на високих концентраціях (більш 30%) ця асиметрія забезпечує помітне зростання вихідного сигналу, що в певній мірі компенсує послабшаючий термокаталітичний ефект. Для того, щоб вихідний сигнал датчика на високих концентраціях, обумовлений різницею теплопровідних ефектів порожнистого і суцільного чутливи х елементів був достатній для підтримки аварійної сигналізації у включеному стані необхідно, щоб він був не нижче термокаталітичного сигналу на довибухонебезпечній концентрації, що відповідає порогові спрацьовування. Виконання цієї умови стає можливим завдяки тому, що зміна газопроникності реакційної камери впливає тільки на термокаталітичний сигнал, але не впливає на сигнал по теплопровідності. Це пояснюється тим, що при наявності термокаталітичного ефекту величина потоку метану, що окислюється на поверхні чутливо го елемента. залежить від газопроникності реакційної камери. При цьому концентрація метану у середині реакційної камери через процес термокаталітичного окислення завжди нижче, ніж у контрольованій атмосфері. Відношення концентрацій у середині і зовні реакційної камери є коефіцієнтом передачі реакційної камери (чи термокаталітичного датчика) по концентрації [див. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана / Карпов Е.Ф. - М.: Наука, 1981. - С.59]. На високих концентраціях, коли процес термокаталітичного окислення метану припиняється, їхні значення у середині і зовні реакційної камери вирівнюються при будь-якій, навіть скільки завгодно малій газопроникності реакційної камери. Тому величина теплопровідного ефекту не залежить від газопроникності реакційної камери. Завдяки цьому можна вибрати таку газопроникність (коефіцієнт передачі) реакційної камери, при якій термокаталітичний сигнал на пороговій концентрації не перевищує мінімального теплопровідного сигналу на післястехіометричних концентраціях. Для цього повинна бути виконана умова (2) k£Ulmin/Uп1 де k - коефіцієнт передачі реакційної камери; Ulmin - мінімальний вихідний сигнал датчика на післястехіометричних концентраціях, обумовлений різницею теплопровідних ефектів чутливи х елементів; Uп1 - вихідний сигнал датчика з відкритою реакційною камерою, що вільно сполучена з аналізованим середовищем (k =1) на концентрації, що відповідає порогові спрацьовування аварійної сигналізації. На фігурі 1 зображений чутливий елемент у вигляді суцільного циліндра, а на фігурі 2 - y вигляді порожнистого циліндра. На фігурі 3 зображена функція перетворення термокаталітичного датчика метану (найбільш близького аналога) з однаковими за формою чутливими елементами, що представляють собою суцільні циліндри. З графіка функції перетворення видно, що на концентраціях 5 і 30% вихідні сигнали датчика однакові. Вихідний сигнал датчика на концентрації, що відповідає порогові спрацьовування аварійної сигналізації (Сп=2%), дорівнює Uп. При концентрації 40% сигнал датчика стає нижче Uп, що приводить до відключення аварійної сигналізації в проміжку концентрацій від 40 до 100%. На фігурі 4 зображена функція перетворення термокаталітичного датчика метану, що відрізняється від найбільш близького аналога тим, що його компенсаційний чутливий елемент виконаний у вигляді порожнистого циліндра. У цього датчика вихідний сигнал на післястехіометричних концентраціях вище, ніж в аналога, за рахунок різниці теплопровідних ефектів вимірювального і компенсаційного чутливи х елементів. Починаючи з концентрації 50% спостерігається невелике зростання вихідного сигналу по лінійному закону, що пояснюється зростанням різниці теплопровідних ефектів чутли вих елементів при підвищенні концентрації метану. Але цього недостатньо для того, щоб вихідний сигнал датчика перевищував значення Uп на всіх концентраціях від Сп до 100%. З графіка видно, що на концентраціях від 42 до 80% вихідний сигнал датчика нижче величини Uп, що приводить до відключення аварійної сигналізації в цьому інтервалі. На фігурі 3 зображена функція перетворення термокаталітичного датчика з тими ж чутливими елементами, що й у датчика, функція перетворення якого зображена на фігурі 4. Відмінність полягає в тому, що реакційна камера цього датчика має більш низьку газопроникність. Її коефіцієнт передачі відповідає виразу (2). Завдяки цьому вихідний сигнал датчика, обумовлений термокаталітичним ефектом, знизився (частина характеристики від 0 до 30%), а вихідний сигнал, обумовлений різницею теплопровідних ефектів, залишився без змін. При цьому вихідні сигнали Uп і Ulmin зрівнялися, що забезпечило розташування функції перетворення на концентраціях від С п до 100% на рівні не нижче U п. Наслідком цього є стійка робота аварійної сигналізації на всіх концентраціях від Сп до 100%. Практична реалізація описаного датчика метану здійснена з чутливими елементами, що мають наступні геометричні параметри: І=0,8мм, d=0,6мм, dвн=0,2мм. При пороговій концентрації Сп=2% характерні вихідні сигнали датчика складають: Ulmin=42мв, Uп1=116мв. Необхідний для досягнення безперервності роботи аварійної сигналізації коефіцієнт передачі реакційної камери склав: 42 k£ = 0,36 116 На практиці коефіцієнт передачі реакційної камери вибирається нижче розрахункового для надійного забезпечення безперервності роботи аварійної сигналізації при всіх концентраціях, що перевищують Сп. Необхідний коефіцієнт передачі реакційної камери забезпечується вибором площі газопроникної поверхні, товщини її стінки, діаметра порів, обсягу порового простору і коефіцієнта звивистості порів. Для визначення величини Uп1 реакційна камера може бути виконана у вигляді стакану з одного шару сітки з розміром вічка не менш 0,1мм, або у вигляді втулки (відкритого циліндра).