Устройство для измерения концентрации горючих газов

(19) (11) 51) 25 2 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Бюл.В 6ильев, Н.С.Сабадаш, и Л.Т.Танклевскийский филиал Всесоюзследовательского инс опожарной обороны88.8) заторы газовргия, 1970,Ваня Я. Антей.М.,5.тор в(56) 1. р жидко с.150-12. А 9 43022 (протот идетельство СССРН 25/22, 1974 ское с л. СО Фие,7 ОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ, содержащее помещенный в реакционнуюкамеру каталически активный чувствительный элемент, электрическисвязаннь 1 й с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, о т -л н ч а ю щ е е с я тем,что, сцелью повышения точности в широкомдиапазоне измеряемых концентраций,фотоприемник соединен с вторичнымприбором через компенсатор началь"ного фототока, .в цепь обратной связи которого введены схема переключения тока питания чувствительногоэлемента, один из выходов которойподключен к вторичному прибору.1140019 2. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что схема переключения выполнена из переключающего устройства, вход которого соединен с выходом компаратора, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации, а два других - с источником опорных напИзобретение относится к газоана" лизаторам для измерения содержания горючих компонентов в газовых смесях, а более конкретно к термохимическим гаэоанализаторам с фоторе гистрацией.Известен термохимический детектор горючих компонентов, входящих в состав анализируемой смеси, которые окисляются в реакционной ка мере на поверхности предварительного нагретого катализатора, Изменение температуры, регистрируемое с помощью термочувствительного элемента, обычно включаемого в цепь 15 измерительного моста, пропорционально содержанию горючих газов в смеси. В качестве подогревателя в устройстве применяется спираль, запитываемая постоянным стабилизированнымтоком Г 13 .ОНедостатком "этого детектора является невысокая чувствительность, ограничивающая его применение при анализе концентраций горючих газов ниже 10 об.Ъ. 5 Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения концентрации горючих газов, содержащее помещенный в реакционную камеру катали тически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор 12 . 35Однако высокая точность измерения не может быть достигнута в данном устройстве из-за трудности регистрации малых приращений на фоне большего начального свечения чувствительного элемента. Кроме того, поскольку для обеспечения достаточной чувствительности начальная температура чувствительного элемента выбирается высокой, при анализе концентраций, близких к стехиомет рическим, эта температура повышается настолько, что может привести к чрез мерному перегреву чувствительного элемента и преждевременному выходу его из строя. 50 ряжений, при этом первый выход переключающего устройства подключенк источнику тока, второй - к компенсатору начального фототока, одиниз выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий к - вторичному прибору и устройству коммутации,Цель, изобретения - повышение точности измерений в широком диапазоне концентраций горючих газов.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации горючих газов, содержащем помещенный в реакционную камеру каталически активный чувствительный элемент, электрически связанный с источником тока, фотоприемник и вторичный прибор, фотоприемник соединен с вторичным прибором через компенсатор начального фототока, в цепь обратной связи которого введена схема переключения тока питания чувствительного элемента, один из выходов которой подключен к вторичному приборуСхема переключения может быть выполнена из переключающего устройства, вход которого соединен с выходом компаратора, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации, а два. других - с источником опорных напряжений, при этом первый выход переключающего устройства,подключен к источнику тока, второй - к компенсатору начального фототока, один из выходов которого соединен с входом устройства коммутации, а третий - к вторичному прибору и устройству коммутации.Предлагаемое устройство создано на принципе фотометрирования нагретого катализатора,излучение которого изменяется в зависимости от концентрации горючих газов в анализируемой смеси. На вторичный прибор поступает сигнал с компенсатора начального фототока, пропорциональный разности текущего значения фототока И фототока в отсутствие горючего газа. Схема переключения автоматически осуществляет выбор величины тока питания чувствительного элемента из заранее запомненного дискретного набора при изменении концентрации . горючего компонента. При каждом пе-. реключении на компенсатор с выхода схемы переключения подается сигнал, обеспечивающий установку величиныкомпенсирующего тока, равной фото току, в отсутствие горючего газа в анализируемой смеси при установившемся токе питания чувствительного элемента. Минимальный ток питания выбирается таким образом, чтобы при нем температура чувствительного элемента оставалась выше предельной температуры, при которой происходит гетерогенная химическая реакция окисления на его поверхности.При использовании в качестве .источников фотометрируемой лучистой энергии катализаторов из окислов металлов, например каталически актив ной-окиси алюминия, можно считать, что излучение нагретого чувствительного элемента соответствует излучению серого тела с интегральным коэффициентом черноты Е= 0,7 0,9.В соответствии с законом СтефанаБольцмана энергия излучения Е испускаемая с единицы поверхности серого тела эа единицу времени при температуре Т (К)Е Я.Я.7где б - коэффициент Стефана-БольцманаФототок 3 пропорционален плотности мощности, поступающего на вход Фотоприемника излучения, следовательно,при достаточно широкой области спектральной чувствительности фотоприемника можно приближенно считатьк 1 т (1)где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от величины Я и чувствительности фотоприемника.В отсутствие горючего компонента в смеси температуры катализатора То, апри его наличии за счет происходящей экзотермической реакции Т=Т, + ьт.На вход вторичного прибора поступает токовый сигнал с выхода компенсатора 1,ц,,=к,(т +ьт) - к,тьТ а т ьт) Ит+ а т ьт ьт)Схема переключения осуществляет автоматический подбор тока питания чувствительного элемента, обеспечивающий требуемую чувствительность, при этом на всех диапазонах выпол. - ,няется соотношение ьТа То , следовательно, можно считатьеых "1 ьтфто (2) Известно, что при термохимическом методе анализа для концентраций горючего компонента ниже нижнего предела воспламенения можнов первом приближении считать ьт: к,с (3)где С - концентрация горючего 5компонента;К - коэффициент пропорциональ 2ности.После подстановки величиныьТ(2) получаемВьп тофиг (4)1где К=К;КИз формулы (4) видно, что имеетместо линейная зависимость( :1(с)и с возрастанием начальной температуры катализатора То чувствительность гаэоанализатора повышаетсяПоскольку величина То определяетсятоком питания чувствйтельного элемента, для регулировки чувствительности прибора достаточно менять этотток.В реальных устройствах чувствительный элемент изготовляется изматериала, излучение которого отличается от излучения серого тела,а фотоприемник может иметь довольноузкую полосу спектральной чувстви.тельности. При этом температурнаязависимость 1 ь, имеет более сложный вид, однако ее монотонный характер сохраняется.Введение компенсации начальногофототока совместно с автоматическимвыбором температуры чувствительного 35 элемента, обеспечивающим ее уменьшение с ростом концентрации горючегокомпонента,дает возможность повыситьточность измерений газоанализатора вшироком диапазоне концентрацией от 40 10 4 до 2 об., где выполняется зависимость (3)Экспериментальныеисследования подтверждают наличиезависимости, приведенной в формуле(4) .На Фиг.1 представлена блок-схемаустройства для измерения концентрации горючих газов; на фиг.2 - градуировочные зависимости тока выходас компенсатора 1 В, от концентрациигорючих газов Спрн разных значе ниях тока питания спирали ю и разномчисле диапазонов внутри областианализируемых концентраций.Устройство состоит из источника 55 тока 1, электрически связанного скаталитически активными чувствительном элементом, представляющим собойспираль 2, находящуюся вместе с катализатором 3 в реакционной камере 60 4, фотоприемника 5, соединенного свторичным прибором б через компенсатор начального фототока 7, в цепьобратной связи которого введенасхема переключения 8 тока питания 65 чувствительного элемента, один иэвыходов которой подключен к вторичному прибору.Схема переключения 8 выполненаиз переключающего устройства 9,вход которого соединен свыходомкомпаратора 10, один из входов которого соединен с выходом устройства коммутации 11, а два другихс источником опорных напряжений 12.Первый выход переключающего устройства подключен к источнику тока, второй к компенсатору начального Фототока, один из выходов .которого соединен с входом устройства коммутации, а третий - к вторичному прибору и устройству коммутации. 15Устройство работает следующимобразом.Катализатор 3, подогреваемый спиралью 2, запитанной от переключаемого. источника тока 1, находится вреакционной камере 4, через которую постоянно пропускается анализируемая газовая смесь. Ток питанияспирали Ю(, определяющий начальнуючувствительность устройства, задается управляющим напряжением, поступающим с переключающего устройства9 на источник тока 1. Увеличениеприводит к росту чувствительностии обеспечивает возможность анализамалых концентраций горючих газов.Фототок 1 , пропорциональный ин",тенсивности излучения нагретого катализатора, с выхода Фотоприемника5 поступает на один из входов компенсатора начального Фототока 7. Величина компенсирующего тока выбирается равной значению э при токепитания спирали д( и отсутствии всмеси горючих газов. Значение токавырабатываемого компенсатором, 40также задается сигналом, поступающимс переключающего устройства. Разностный сигнал с выхода компенсатора 71,И, =1,Р -1регистрируется вторичнйм прйбором б. Очевидно, что при 45концентрации горючего компонентаС=О, сигнал, поступающий на входвторичного прибора 1 , =О.При появлении определенного уровня концентрации горючего в анализируемой смеси температура катализатора и интенсивность излучения растутза счет проходящей реакции каталитического окисления, при этом величи"на 1 в изменяется в соответствии55с Формулой (4) . На Фиг.2 этому рос-.ту соответствует участок 1 (приэтом ток питания спирали равен Ю 1) .Однако, возрастание температуры катализатора выше допустимых значений 60может привести к его преждевременному выходу из строя или изменениюкаталитических свойств, поэтомувводится ограничение температурыкатализатора некоторой величиной у Т . Значение тока с выхода компейсатора, соответствующее этой температуре чувствительного элементадля диапазона 1, равноЬИ. таюПри достижении концентрацией горючихгазов такой величины,.при которойтрмпература катализатора становитсяравной Т , схема переключения 8,дискретно меняющая величину токаисточника 1, автоматически снижаетток спирали 2 до значения д(участок П, фиг.2); а также устайавливает новое значение компенсирующеготока 1 , соответствующее излучениючувствительного элемента в отсутствиегорючих газов при токе спирали Юфи вццает сигнал на вторичный прибор,на котором будет осуществляться индикация, соответствующая включениювторого диапазона измерения.При дальнейшем изменении концентрации в результате ряда исследовательных переключений при достижении выходным током величины 3. ц .устанавливаются значения 3 и 1йсоответствующие текущему значениюанализируемой концентрации С. Приэтом на вторичном приборе будетосуществляться индикация И-го диапазона. Величины токов У=2,3,,Б) выбираются так, чтобы послекаждого очередного переключения всторону меньших токов (д ) Удя)устанавливалось значение выходноготока компенсатора, равное х вы 1 л фВеличина 1 в , определяет числодиапазонов измерения внутри областианализируемых концентраций. Большаявеличина 1 , .позволяет повыситьчувствительность прибора при измерении каждого конкретного значения кон"центрации, однако приводит к необходимости частого переключения пределов в случае переменной концентрации горючего компонента (Фиг.2).Удобно выбирать значения Х ,. , таким образом, чтобы пределы измерениясоседних диапазонов отличались напорядок. В этом случае можно ограничиться одной шкалой вторичного дрибора для всей области анализируемыхконцентраций,При уменьшении концентрации горю.чего компонента анализируемой смеси, приводящем к снижению 1 щц доуровня .в,1, .по сигналу с переключающего устройства будет происхо 1дить переключение токов Юц и 1, аиндикации на вторичном приборе в сторону меньших номеров Р 1 К 0-1)диапазонов,При выборе 1 вы,в и 3 във,Мнадообеспечить, чтобы для верхнего диапазона области анализируемых концентраций излучение чувствительного элемента в отсутствие горючих газов было выше порога чувствительности Фотоприемника. При этом для сохранения114 ОО 19 8(1.1ЙЮ,гй ЙРХртИ 7 линейности характеристики необходимо, чтобы на всех диапазонах выполнялось условиеьтт,;Работа схемы переключения 8 тока питания спирали сводится к следующему. Поступающий с компенсатора 7 йа схему переключания сигнала Ц, пропорциональный 1 ц (а следовательно,по (4) и концентрации С), пройдя через устройство коммутации 10 11, поступает на компаратор 10.Устройство коммутации предназна-. чено для кратковременного отключения входа .коммутатора от выхода компенсатора 7 по сигналу с:переключаю щего устройства 9 после каждого пелрзключения. Время отключениявыбирается большим, чем время выхода на режим излучения чувствительного эле-, мента при каждом новом значении Л . 2 При этом на вход компаратора с устр ройства коммутации подается постоянное напряжение П, причем Боп00 м с целью исключения возможности дальнейшего переключения токов, Все 25 остальное время устройство комму" тации осуществляет беспрепятственную передачу сигнала с компенсатора 7 на компаратор 10.На компараторе происходит сравне- ЗО ние напряжения 0 с опорными напряжениямй 00 п, снимаемыми с источника ойорных напряжений 12, которые соответствуют токам з-алых.ти и 1 рыл.Ы Если концентрация гоРючего компонента изменится таким обВНИИПИ Эакаэ 255/33ефваюеееееееамвеевевавФилиал ППП "Патеит", г. У разом, что окажется 0 0 оья (при этом 1 еОили 0 ц с 0 О (при этом -вьзавью гп 1 ), вырабатывается сиг" нал -1 или +1 ф, управляющий переключающим устройством 9, которсе обеспечивает переключение тока. источника 1 и компенсирующего тока в сторону меньших (при -) или больших (при ф+1) значений, При этом на вторичный прибор с переключающего устройства подается сигнал индикации установившегося диапазона измерений. Исключение представляет случай малых концентраций С , ког" да при работе на первом диапазоне Я, 1.) 00 щ,При этом по сигналу +1, поступающему на вход переключающего устройства, с его выхода никаких управляющих напряжений не выдаетсяПредлагаемое устройство обеспечивает повышение точности анализа при высокои чувствительности в широком диапазоне измеряемых концентраций с линейной градуировочной характеристикой. Кроме того, своевременное переключение тока питания спирали увеяичивает срок службы чувствительного элемента по сравне" нию с известным устройством, Устройство повзоляет улучшить технику безопасности технологических процессов, в которых вожможно возникновение взрывоопасных концентраций горючих газов, обеспечить надежный контроль атмосферы, в частности танков неф- . теналивных судов. ираж 897 ПодписноФфьород, ул. Проектная,