Спосіб вимірювання вмісту горючих газів та пристрій для його реалізації

Винахід відноситься до області аналітичного приладобудування і може бути використаним при розробці автоматичних газоаналізаторів горючих газів у шахтній атмосфері, а також у димових газах котлоагрегатів. Відомий спосіб аналізу горючих газів термокаталітичним датчиком, що складається з каталітичне активного робочого і порівняльного елементів включених в неврівноважену мостову вимірювальну схему з живленням її стабільною напругою, а також пристрій, що реалізує цей спосіб аналізу [див. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984]. Горючий газ, потрапляючи на каталітичне активний чутливий елемент, окисляється з виділенням тепла, що збільшує температуру й опір чутливого елемента. Цей спосіб знаходить широке застосування в шахтній метанометрії та інших галузях промисловості, в основному для вимірювання вмісту метану. Однокамерні низькотемпературні термокаталітичні датчики складаються з робочого (вимірювального) і порівняльного (компенсаційного) елементів, виконаних з активного окису алюмінію з однаковими геометричними розмірами і нанесеного на платинові нагрівачі-термометри опору. Поверхня робочого покрита дрібнодисперсним платино-паладієвим каталізатором. Робоча температура елементів датчика 350-400°С. Чутливі елементи датчика приварюються до металевих стійок, що впресовуються в основі датчика з діелектрика і поміщаються в реакційну камеру, що утворена усередині пористого керамічного, металокерамічного чи металевого газообмінного фільтроелементу. Інші кінці стійок служать для підключення датчика в схему приладу. До недоліків такого датчика слід віднести порівняно вузький діапазон вимірювання вмісту горючого газ у, обумовлений не лінійністю вихідного сигналу датчика при концентрації метану в атмосфері понад 2,5%, значний вплив запиленості шахтної атмосфери на результати вимірювання, порівняно низька стійкість до перевантажень за метаном, обумовлена перегріванням робочого елемента при високих концентраціях метану. Крім того, у рудниковій атмосфері при пожежах з'являються також оксид вуглецю, водень, що добре окисляються на порівняльному елементі термокаталітичного датчика і приводять до його активізації і горіння на ньому метану, що в підсумку призводить не до збільшення сигналу з вимірювального моста, а до його зменшення і порушення роботи газоаналізаторів. Каталітичне активний і порівняльний елементи датчика мають різну випромінюючу здатність (активний - чорний, порівняльний - білий), що не дозволяє досягнути їх електротеплової аналогії і є одною із причин зміщення нуля вимірювальних мостів при зміні параметрів газу. Найбільш близьким за сутністю рішенням є спосіб вимірювання вмісту горючих газів [патент України 61224А, МК G01N25/22, E21F1/00. Спосіб вимірювання вмісту горючих газів в шахтній атмосфері та пристрій для його реалізації / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, B.I. Голінько та ін. // Опубл. 17.11.03 Бюл. №11.] заснований на взаємодії робочого елемента термокаталітичного датчика із сумішшю повітря з горючим газом, що подається в проміжну камеру, обмежену від контрольованої атмосфери фільтроелементом за рахунок дифузії, конвекції чи примусово, а в реакційну камеру з робочим і порівняльним елементами, розташовану усередині проміжної камери, через калібрований отвір у реакційній камері переважно за рахунок дифузії. Пристрій для реалізації способу включає чутливі елементи датчика розміщені в додатковій камері, виконаній у виді газонепроникного стакану з каліброваним отвором у стінці, причому газонепроникний стакан розташований усередині обсягу обмеженого від контрольованого середовища фільтроелементом і встановлений з зазором від зовнішньої поверхні газонепроникного стакану. Цей спосіб вимірювання горючого газу і пристрій для його реалізації дозволяють розширити діапазон вимірювання, практично виключити вплив запиленості аналізованої атмосфери і швидкості руху аналізованої суміші, а також зменшити вплив газових перевантажень. До недоліків цього рішення слід віднести зсув «нуля» мостової вимірювальної схеми, зв'язаний зі зміною параметрів порівняльного елемента датчика внаслідок накопичення при тривалій експлуатації на його поверхні продуктів термічної деструкції вуглеводнів. Крім того з появою в аналізованій суміші декількох горючих газів: метану, водню й оксиду вуглецю погрішності вимірювання можуть бути досить істотними. Для вимірювання метану в атмосфері температура елементів датчика повинна бути 350-400°С, а для вимірювання оксиду вуглецю і водню 200-250°С. Якщо при вимірюванні вмісту метану в аналізованій суміші з'являються оксид вуглецю і водень, то вони починають горіти на порівняльному елементі, що призводить до підвищення його температури та активізації для метану, заниження вихідного сигналу газоаналізаторів, у той час як вибухонебезпечність аналізованої суміші збільшилася. При використанні низькотемпературного термокаталітичного датчика на дрібнодисперсних каталізаторах для аналізу оксиду вуглецю і водню для виключення горіння цих газів на порівняльному елементі їх температур у знижують до 200-250°С, зменшуючи напругу живлення мостової вимірювальної схеми. Однак при цьому, як показали дослідження, відбувається карбонізація поверхні робочого елемента і втрата чутливості через 2-3 місяця роботи датчика. Працездатність датчика можна відновлювати прожарюванням його при температурі 400450°С, однак це приводить до зменшення терміну служби, а іноді і до виходу його з ладу. Задачею винаходу є усунення зазначених недоліків у відомих способі і пристрої для контролю вмісту горючих газів. Поставлена мета досягається тим, що в способі термокаталітичного аналізу горючих газів, заснованому на взаємодії чутливи х елементів термокаталітичного датчика із сумішшю повітря з горючим газом, що подається в проміжну камеру, обмежену від контрольованої атмосфери фільтрелементом, за рахунок дифузії, конвекції і примусово, а в реакційну камеру з елементами датчика, розташовану усередині проміжної камери, обмеженої фільтрелементом, через калібрований отвір у реакційній камері переважно за рахунок дифузії і перетворення концентрації горючого газу в пропорційний їй електричний сигнал, з метою поліпшення метрологічних характеристик і підвищення надійності контролю обидва елементи термокаталітичного датчика виконуються активними і встановлюються в окремих реакційних камерах з різними каліброваними отворами для подачі аналізованої суміші до них, а вміст горючих газів визначаються по різниці опорів елементів. Пристрій для реалізації способу містить датчик горючого газу, що включає основу з вмонтованими в неї металевими стійками, з однієї сторони яких підключені чутливі елементи датчика а другі кінці стійок служать для підключення датчика в схему газоаналізатора, фільтрелемент, що кріпиться до основи датчика й утворює проміжну камеру і реакційну камеру з елементами датчика, розміщену в проміжній камері і виконану у виді газонепроникного стакану, який відрізняється тим, що обидва елементи датчика виконані активними і розділені в реакційній камері герметичною перегородкою, а для надходження аналізованої суміші до чутливих елементів в стінках реакційної камери виконані калібровані отвори різного діаметра. На фіг.1, 2 приведений варіант пристрою для реалізації способу, що заявляється, а фіг.З - неврівноважена мостова вимірювальна схема для реалізації пристрою, що заявляється. Пристрій, приведений на фіг.1 і 2, містить активні елементи термокаталітичного датчика 1 і 2, приварені до стійок 6, вмонтовані в основу 3 з діелектрика. До основи 3 зверху прикріплений фільтрелемент 7 (звичайно виконують з пористої кераміки чи металокераміки), який з основою З утворюють проміжну камеру 8. Елементи датчика 1, 2 зі стійками 4 накриті стаканом 4 з перегородкою 5, у результаті утвориться дві реакційні камери 9 і 10. У реакційних камерах 9 і 10 виконані отвори 11 і 12 різного діаметра. Аналізована суміш через фільтрелемент 3 надходить у проміжну камеру, а потім через отвори 11 і 12 дифундує до активних елементів 1 і 2 датчика. На фіг.3, приведеної для пояснення способу, що заявляється, і пристрою позначено 1 і 2 елементи датчика, 9 і 10 реакційні камери, 11 і 12 калібровані отвори, 13, 15 - баластні резистори мостової вимірювальної схеми, 14 резистор для установки «нуля» мостової схеми при відсутності горючи х газів в аналізованій атмосфері, 16 блок індикації вихідного сигналу, 17 блок живлення. При включенні блоку живлення 17 мостова вимірювальна схема одержує напругу 1,8-2,0 В. Елементи датчика і камера прогріваються протягом 10-15 хвилин і резистором 14 установлюються нульові показання в блоці індикації. Робота пристрою, приведеного на фіг.1,2, полягає в наступному. З появою горючого газу в контрольованій атмосфері він разом з повітрям надходить через фільтрелемент 3 у проміжну камеру 8. З проміжної камери 8 аналізована суміш через калібровані отвори 11,12 надходять за рахунок дифузії в реакційні камери 9,10 до активних елементів 1,2 при цьому на них починає окислятися горючий компонент із виділенням тепла, що призводить до підвищення температури та опору обох елементів. Кількість тепла, що виділяється внаслідок окислення горючого газу на термоелементі, пропорційна дифузній провідності каліброваних отворів. Зважаючи на те, що діаметри і дифузійна провідність отворів 11 і 12 різні (доцільне співвідношення XП – Ю/1г), то різним буде і приріст опору елементів 1 і 2. Різниця зміни опорів елементів 1,2 датчика, що пропорційна концентрації горючого компонента в контрольованій атмосфері, приводить до розбалансу мостової схеми і реєстрації вихідного сигналу блоком індикації 16. В даному пристрої елемент, який знаходиться в камері 9 з більшим діаметром каліброваного отвору 11 виконує роль робочого елемента, а елемент, який знаходиться в камері 10 з меншим діаметром фактично виконує роль порівняльного елемента і забезпечує стабільність нуля вимірювального моста при зміні параметрів газу та джерела живлення. Виконання обох елементів активними забезпечує повну їх електротеплову аналогію, що підвищує стабільність нуля вимірювального моста. Крім того, таке виконання датчика виключає накопичення в процесі експлуатації на поверхні порівняльного елемента продуктів термічної деструкції вуглеводнів, дозволяє підвищити надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок за рахунок виключення впливу горючих газів з низькими температурами спалаху на роботу пристрою і одержання вихідного сигналу пропорційного сумарній теплотворній здатності всіх горючих компонентів в аналізованій суміші. При використанні пристрою для контролю вмісту горючих газів з низькою спалаху, наприклад оксиду вуглецю в димових газах котлоагрегатів, в цьому випадку є можливість підвищити температур у елементів до 350-400°С, що виключає карбонізацію поверхні робочого елемента і втрату чутливості пристрою. Таким чином, запропонований спосіб і пристрій для його реалізації дозволяють поліпшити метрологічні характеристики газоаналізаторів, підвищити стабільність їх роботи і надійність контролю вибухонебезпечності об'єктів. Реалізація зазначених способів і пристроїв можлива на виробах і матеріалах, що серійно випускаються. Так основа 7 і стакан 4 можуть бути виготовлені з полікарбонату ПК-6, для виготовлення фільтрелементу 3 використовується корунд або титановий порошок, матеріалом спіралей елементів 1 і 2 може бути платиновий дріт ПЛ2 ДСТ 21007-75; як діелектрик, що покриває спіраль елементів 1 і 2, може бути використано оксид алюмінію активний за ДСТ 21007-75, а як каталізатор - паладій хлористий ТУ 6.09.202225-75 і платинохлористоводнева кислота ТУ 6.09.2026-74.