Спосіб вимірювання вмісту горючих газів в шахтній атмосфері та пристрій для його реалізації

1 Спосіб вимірювання вмісту горючого газу в атмосфері, заснований на взаємодії чутливого елемента датчика із сумішшю повітря з горючим газом, що подається в реакційну камеру з розташованим у ній чутливим елементом датчика через фільтроелемент за рахунок дифузії, конвекції та/або примусово, і перетворенні концентрації горючого газу датчиком у залежний від неї електричний сигнал, який відрізняється тим, що чутливий елемент датчика поміщають у додаткову камеру усередині об'єму, відокремленого від атмосфери фільтроелементом, а суміш повітря з горючим газом з атмосфери надходить спочатку через фільтроелемент у проміжний об'єм, утворений внутрішньою поверхнею фільтроелемента і зовнішньою поверхнею додаткової камери, а з проміжного об'єму через отвір у додатковій камері горючий газ надходить до чутливого елемента датчика переважно за рахунок дифузії 2 Пристрій для реалізації способу за п 1, що містить основу датчика з вмонтованими в неї металевими стійками, з однієї сторони яких приєднаний жать для підключення датчика в схему приладу, і фільтроелемент, який відрізняється тим, що чутливий елемент датчика розміщений у додатковій камері, виконаній у вигляді газонепроникного стакана з отвором у СТІНЦІ, причому газонепроникний стакан розташований усередині об'єму, відокремленого від контрольованої атмосфери фільтроелементом, установленим із зазором від зовнішньої поверхні газонепроникного стакана, причому фільтроелемент і газонепроникний стакан закріплені до основи датчика за допомогою клею або механічно З Пристрій для реалізації способу за п 1, що містить основу датчика з вмонтованими в неї металевими стійками, з однієї сторони яких приєднаний чутливий елемент датчика, а другі КІНЦІ СТІЙОК слу жать для підключення датчика в схему приладу, і фільтроелемент, який відрізняється тим, що основа датчика з вмонтованими в неї металевими стійками, з однієї сторони яких приєднаний чутливий елемент датчика, розміщений у додатковій камері, виконаній у вигляді газонепроникного стакана з отвором у СТІНЦІ і закріпленого на основі датчика за допомогою клею або механічно, установлена на дні порожнини в корпусі приладу, що має отвір, через який другі КІНЦІ металевих стійок пропущені в приладовий ВІДСІК через отвори в амортизаторі та спеціальній втулці, що послідовно прилягають до основи датчика, втулка нижньою своєю частиною встановлена в отвір на дні порожнини і закріплена в ній за допомогою клею або механічно, в інший отвір порожнини з боку, протилежного и дна, встановлений з зазором від газонепроникного стакана фільтроелемент, що також закріплений за допомогою клею або механічно чутливий елемент датчика, а другі КІНЦІ СТІЙОК слу Винахід відноситься до гірничої автоматики, а більш конкретно до способів та пристроїв для автоматичного контролю вмісту горючого газу в шахтній атмосфері ВІДОМІ термокаталітичні датчики метану, чутливий елемент яких складається з резистивних каталітично активного (робочого) і компенсаційно го (порівняльного) елементів Чутливий елемент датчика розміщається в реакційній камері, що відокремлена від контрольованої атмосфери фільтроелементом з багатошарової металевої сітки (див , наприклад, Щербань Л Н , Фурман Н К Методы и средства контроля рудничного газа Киев, Наукова Думка) Спосіб вимірювання, реалізова (О 61224 ний у зазначеному пристрої, полягає у взаємодії чутливого елементу датчика з горючим газом, що надходить до нього через фільтроелемент за рахунок дифузії, конвекції, та/або спрямованого руху повітря контрольованої атмосфери Недоліками зазначеного рішення є значна залежність результатів виміру від швидкості газоповітряного потоку, запиленості шахтної атмосфери, обмежений діапазон виміру вмісту горючих газів, порівняно низькі значення перевантажувальних концентрацій горючого газу, тривалий вплив яких не виводить з ладу датчик Найбільш близьким до запропонованих рішень (прототип) є термокаталітичний датчик метану, що застосовується у стаціонарній і переносній апаратурі контролю метану Датчик, чутливий елемент якого також складається з каталітично активного (робочого) і компенсаційного (порівняльного) елементів, розділених теплоізоляційним екраном Елементи поміщені в реакційну камеру, що утворена усередині пористого керамічного, металокерамічного чи металевого газообмінного фільтроелементу При цьому чутливий елемент датчика, що складається з робочого і порівняльного елементів, приварюється до металевих стійок, що впресовуютьсяв основі датчика з діелектрика Між робочим і порівняльним чутливим елементом установлюється теплоізоляційний екран Інші КІНЦІ СТІЙОК служать для підключення датчика в схему приладу, а теплоізоляційний екран і фільтроелемент закріплюються на основу датчика за допомогою, наприклад, клею або механічно (див , наприклад Карпов Е Ф , Биренберг И Э , Басовский Б И Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы М Недра —1984 г) До недоліків такого датчика варто віднести порівняно вузький діапазон виміру вмісту горючого газу, обумовлений нелінійністю 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 Спосіб виміру, реалізований в описаному вище пристрої, заснований на взаємодії чутливого елемента датчика з горючим газом, що подається в реакційну камеру через фільтроелемент за рахунок дифузії, конвекції та/або примусово, перетворенні концентрації горючого газу датчиком у залежний від неї електричний сигнал При цьому в описаному вище датчику горючий газ, потрапляючи на каталітично активний чутливий елемент, окисляється з виділенням тепла, що збільшує температуру й опір чутливого елемента Зазначені недоліки, вище описаного датчика, обумовлені тим, що у відомих термокаталітичних датчиках потік метану (QH), що надходить у реакційну камеру та окисляється на каталітично активному (робочому) елементі, визначається як (див Карпов Е Ф , Биренберг И Э , Басовский Б И Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы — М Недра, 1984 г) ам=с м а -у э -Уф/(у э + Уф)(1) де Сна - концентрація метану в атмосфері, Y3 - ефективна дифузійна провідність каталітично активного робочого елемента, Уф - провідність фільтра З приведеного виразу видно, що КІЛЬКІСТЬ метану, що окисляється, а, отже, приріст температури активного елементу, збільшення його опору і зв'язана з цим вихідна напруга вимірювального моста (найбільш розповсюджена схема включення термокаталітичного датчика) при ПОСТІЙНІЙ концентрації метану залежить від провідності фільтроелемента і каталітичної активності робочого елементу, що визначає його ефективну дифузійну провідність Зміна цих величин можлива під впливом коливань напруги живлення, температури, процесу старіння чутливих елементів, засмічення фільтроелемента У датчиках, що серійно випускаються, провідність фільтроелемента Уф=(4 - 5) Y3 При застосуванні платино-паладієвих каталізаторів і у - ° к и с У алюмінію для виготовлення чутливих елементів в існуючих датчиках концентрація метану Сна-1% об викликає приріст температури каталітично активного (робочого) елементу приблизно на 20°С Це забезпечує порівняно високу чутливість датчиків (20-30)мВ/% об СН4 на виході вимірювального моста, але при порівняно високих концентраціях метану (більше 2,5% об ) спричиняє підвищене старіння чутливого елемента і нелінійність датчика 3 огляду на високу чутливість і можливості сучасної електроніки стосовно обробки порівняно малих потенційних сигналів ефективним напрямком в усуненні вище зазначеного, є зниження потоку метану QH до чутливого елементу З (1) видно, що зменшення QH можливе за рахунок зменшення провідності фільтроелемента чи активності робочого елемента Зменшення провідності фільтроелемента можливе за рахунок зниження його пористості, збільшення товщини фільтроелемента Але при цьому значно росте постійна часу датчика, і суттєво зростають погрішності, зв'язані з засміченням фільтроелемента Зниження ж каталітичної активності робочого елементу знижує загальний термін служби датчика, для забезпечення якого каталізатор на робочий елемент наносять у надлишку для того, щоб швидкість горіння метану на каталізаторі залежала в основному тільки від швидкості підведення газу до поверхні робочого чуттєвого елемента (від його ефективної дифузійної провідності) Задачею винаходу є усунення зазначених недоліків у відомих способі і пристрої для контролю вмісту горючих газів Поставлена мета досягається тим, що в способі виміру вмісту горючого газу в шахтній атмосфері, заснованому на взаємодії чутливого елемента датчика із сумішшю повітря і горючого газу, що подається в реакційну камеру через фільтроелемент за рахунок дифузії, конвекції та/або примусово, і перетворенні концентрації горючого газу датчиком у залежний від неї електричний сигнал, з метою поліпшення метрологічних характеристик датчика і підвищення надійності його роботи чутливий елемент датчика поміщають у додаткову камеру усередині обсягу, обмеженого від атмосфери фільтроелементом, а суміш повітря з горючим газом з контрольованої атмосфери надходить спочатку через фільтроелемент у проміжний об 61224 з каліброваним отвором 10 Стакан 9 закріплений на основі 5, наприклад, механічно або за допомогою клею 3 зазором від зовнішньої стінки стакану 9 встановлюється фільтроелемент 11, що також закріплюється на основі 5 за допомогою клею або механічно Елементи 2, 3 екран 7, стійки 4, основа 5, стакан 9 утворюють датчик 12 Між внутрішньою поверхнею фільтроелемента 11 і газонепроникним стаканом 9 сформований проміжний обсяг 13, куди через фільтроелемент 11 надходить газоповітряна суміш з контрольованої атмосфери В іншому варіанті пристрою, з метою зменшення габаритів приладу, датчик 12 встановлюється в порожнині 14, утвореній в корпусі 15 приладу, порожнина 14 сполучується з приладовим ВІДСІКОМ 16 приладу 15 через отвір 17 у дні 18 порожнини 15 Датчик 12 може встановлюватися в порожнині 14 безпосередньо При цьому нижня площина основи 5 датчика 12 сполучається з дном 18 порожнини 14, а другі КІНЦІ СТІЙОК 4 пропускаються через отвір 17 у дні 18 у приладовий ВІДСІК 16 У цьому випадку, датчик 12 закріплюється на дні 18 порожнини 14 за допомогою клею або меУ варіанті пристрою з метою зниження габариханічно При кріпленні в порожнині 14 датчик 12 тів приладів, де застосовується пристрій, основа може попередньо встановлюватися на втулці 19 з датчика з вмонтованими в нього металевими стійдіелектрика з отворами 20 Між основою 5 датчика ками, з однієї сторони яких приєднаний чутливий елемент датчика, розміщений у додатковій камері, 12 і втулкою 19 встановлюється амортизатор 21, виконаної у виді газонепроникного стакану з отвонаприклад, з гуми Другі КІНЦІ СТІЙОК 4, пропускаром у СТІНЦІ і закріпленому на основі датчика за ються через отвори 20 у втулці 19 Втулка 19, з допомогою клею або механічно, установлюється розміщеним на ній датчиком 12 і амортизатором на дні порожнини в корпусі приладу, що має отвір, 21 установлюється на дно 18 порожнини 14 і в через який другі КІНЦІ металевих стійок пропускаотвір 17 і закріплюється до дна 18 порожнини 14 ються в приладовий ВІДСІК безпосередньо або чеза допомогою клею або механічно При цьому друрез отвір в амортизаторі та спеціальній втулці, що гі КІНЦІ стійок 3 через отвір 20 у втулці 19 вивопослідовно прилягають до основи датчика і слудиться у ВІДСІК 16 приладу 15, і служить для піджать для підключення датчика в схему приладу, ключення датчика 12 у схему приладу В отвір із втулка нижньою своєю частиною встановлюється протилежної сторони від отвору 17 у порожнині 14 на дно і закріплюється в ній за допомогою клею установлюється фільтроелемент 22 у касеті 23, або механічно, в отвір у порожнині з боку протищо також закріплюється механічно або клеєм Талежному и дну встановлюється з зазором від газоким чином, порожнина 14 відповідає проміжному непроникного стакану фільтроелемент, який також обсягу 13 (фиг 1) по функціональному призначенкріпитися за допомогою клею або механічно та ню У цей проміжний обсяг 14 через фільтроелевідокремлює обсяг порожнини, де встановлений мент 22, попадає очищена від пилу газоповітряна датчик, від контрольованого середовища суміш з контрольованої атмосфери до чутливого елементу датчика На фіг 1, фіг 2 (розріз А-А фіг 1) і фіг 3 приведені варіанти пристрою для реалізації способу, що На фіг 3, приведеної для пояснення роботи заявляється На фіг 4 приведена найбільш розпопристрою та способу, що заявляються, позначено всюджена відома мостова схема включення дат2 і 3 - робочий і порівняльний елементи датчика чика 12 (див наприклад Карпов Е Ф , Биренберг 12, 24 - вимірювач напруги (мілівольтметр), 25 і 26 Н Э , Басовский Б И Автоматическая газовая за- баластові резистори мостової схеми, 27 резистор щита и контроль рудничной атмосферы М Недра установки «нуля» мостової схеми, 28 - джерело 1984 г) живлення мостової схеми Пристрій, приведений на фіг 1 містить, наприПри фіксованій напрузі від джерела живлення клад, чутливий елемент 1 датчика, що складаєть24 на мостовій вимірювальній схемі, наприклад ся з каталітично активного робочого 2 і порівняль1,8-2,0В та вмісту метану в атмосфері рівному ного 3 елементів, приварених до стійок 4, нулю, елементи 2 і 3, прогріваються протягом 10запресованих у основі 5 з діелектрика і закріпле15 хвилин до температури 360-440°С Потім перених епоксидним компаундом 6 мінним резистором 27 установлюють нульове значення вихідного сигналу по мілівольтметру 29 Між робочим 2 і порівняльним 3 елементами встановлюється екран 7 (не введений у формулу Робота пристрою, приведено на фіг 1 полягає винаходу, як несуттєвий для досягнення поставв наступному 3 появою горючого газу, наприклад, леної мети), що запобігає взаємовплив теплових метану в атмосфері він разом з повітрям очищепотоків чутливих елементів 2 і 3 один на одного ним від пилу, попадає через фільтроелемент 11 у Елементи 2 і 3 , стійки 4 , екран 7 розміщені в реапроміжний обсяг 13 3 проміжного обсягу 13 горюкційній камері 8, утвореній порожниною стакану 9, чий газ з повітрям через отвір 10 у стакані 9, попасяг, утворений фільтроелементом і зовнішньою поверхнею додаткової камери, а з проміжного обсягу через отвір у додатковій камері суміш повітря з горючим газом надходить до чутливого елементу датчика переважно за рахунок дифузії Пристрій для реалізації способу містить датчик горючого газу, що включає основу з вмонтованими металевими стійками, з однієї сторони яких приєднаний чуттєвий елемент датчика, а другі КІНЦІ служать для підключення датчика в схему приладу, фільтроелемент, що кріпиться до основи датчика за допомогою клею, при цьому з метою поліпшення метрологічних характеристик датчика і підвищення надійності його роботи чутливий елемент датчика розміщаються в додатковій камері, виконаній у виді газонепроникного стакану з отвором у СТІНЦІ, причому газонепроникний стакан розташований усередині обсягу обмеженого від контрольованого середовища фільтроелементом, встановленим з зазором від зовнішньої поверхні газонепроникного стакану, що також закріплений до основи датчика за допомогою, наприклад, клею або механічно 8 61224 дає за рахунок дифузії в реакційну камеру 8, де розташовані каталітично активний (робочий) 2 і порівняльний 3 елементи датчика 12 На елементі 2 відбувається безполум'яне згоряння метану з виділенням тепла За рахунок цього температура та опір елемента 2 зростає При цьому змінюється співвідношення опорів елементів 2 і 3 мостової схеми і на и виході з'являється напруга, пропорційна концентрації горючого газу до деякого його значення Екран 7 виключає вплив теплового потоку з одного чутливого елементу на ІНШІЙ, наприклад, при ЗМІНІ просторового положення пристрою на ф і г 1 , з вертикального на горизонтальне Це виключає додаткову погрішність датчика від його положення в просторі Виконання реакційної камери 8 у виді пустотілого циліндра з отвором 10 при забезпеченні провідності отвору 10 Y0TB значно меншої провідності фільтроелемента 11 (Уф), тобто при дотриманні умови Y 0 T B«Y* (2) призводить до того, що КІЛЬКІСТЬ горючого газу, що підводиться до чутливого елементу 2, визначається тільки діаметром і висотою отвору 10 Це забезпечує зменшення впливу запиленості фільтроелемента 11 і швидкості метаноповітряної суміші (МПС) на результати виміру Зазначене пояснюється тим, що при дотриманні умови (2) у проміжному обсязі 13 вміст метану практично дорівнює вмісту метану в атмосфері С н а і значно менше залежить від запиленості фільтроелемента 11 і швидкості МПС Потік же МПС із проміжного обсягу в реакційну камеру 8 в основному визначається ПРОВІДНІСТЮ ОТВОРУ YOTB При ЦЬОМу НЭДХОдження горючого газу із додаткового обсягу 13 між фільтроелементом 11 і стаканом 9 через отвір 10 до елементів 2 і 3 менше його надходження через фільтроелемент 11 з атмосфери У прототипі, потік метану, який надходить до елементів 2 і 3 датчика 12 Q H залежить в основному від YOTB Це випливає також з аналізу залежності потоку метану Q H для пристроїв, що заявляються, при дотриманні умови (2) м ~ ~ ,/. При ма э ф отв Y0TB«Y3, /о\ \ {•=>) Q M « CMaY0 «C Y M Ma , 0TB Розширення діапазону вимірювання пристроїв, що заявляються, забезпечується тим, що потік МПС у реакційну камеру 8, як видно з (3), визнача ється вмістом метану в атмосфері С н а і величиною YOTB Т о м у ЗМІНЮЮЧИ ПРОВІДНІСТЬ ОТВОру Y 0 T B МОЖНЭ змінювати співвідношення між вмістом метану в атмосфері і реакційній камері 8, при цьому зі зменшенням YOTB ЗМЄНШуЄТЬСЯ ВМІСТ МЄТЗНу В Камері 8, що за інших рівних умов забезпечує розширення діапазону вимірювання пристрою, який заявляється, і його СТІЙКІСТЬ до газових перевантажень Експериментальна перевірка запропонованих способу та пристрою дозволили установити, що для вимірювання вмісту метану в діапазоні концентрацій від 0 до 7 об % оптимальним є наступне співвідношення провідності Y3 = (3 - 6) YOTB При цьому зберігається постійна часу вимірювання (7-15с) У пристрої на фіг 2 фільтроелемент 22 виконаний плоским, наприклад, з металевої сітки або металокераміки У результаті зменшується діаметр пристрою за рахунок виключення циліндричного фільтроелемента 11 Це виявляється істотним для зниження загальних габаритних розмірів переносних приладів контролю горючих газів та таких, що вмонтовуються в обладнання Робота пристрою, приведеного на фіг 2, аналогічна вище описаному Таким чином, запропонований спосіб і пристрої для його реалізації дозволяють розширити діапазон вимірювання, зменшити вплив швидкості МПС, вплив запиленості фільтроелемента на погрішність вимірювання, забезпечити збереження працездатності датчика 12 при підвищеному ВМІСТІ горючого газу в контрольованій атмосфері Реалізація зазначених способів і пристроїв можлива на виробах і матеріалах, що серійно випускаються Так основа 5 і стакан 9 можуть бути виготовлені з полікарбонату ПК-6, у якості фільтроелемента 11 може бути використана металева сітка з нержавіючого дроту, фільтроелемент типу «стакан» з корунду або титанового порошку, матеріалом спіралей елементів 2 і 3 може бути платиновий дріт ПЛ2 ДСТ 21007-75, як діелектрик, що покриває спіраль елементів 2 і 3, може бути використано оксид алюмінію активний за ДСТ 2100775 Як каталізатор для виготовлення елементу 2 може бути використаний паладій хлористий ТУ 6 09 202225-75 і платинохлористоводнева кислота ТУ 6 09 2026-74 61224 Комп'ютерна верстка А Крулевський 10 Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119