Способ автоматического контроля концентрации горючих газов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) 81 ИИ 1 504 СО М 27 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ У 3 еск теплофи иА.Н ельство СССР 27/00, 1975, ьство СССР 27/14, 1962. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт технизики АН УССР(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРО ЛЯ .КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ (57) Изобретение относится к гаэоаналитическому приборостроению и может использоваться для контроля утечек природного газа из трубопроводов. Цель изобретения - повьппение точности контроля и снижение трудоемкости настройки и калибровки. Канал поступления анапизируемой смеси формируют с помощью торца сердечника электромагнита и намагничивающейся пластины, установленной перед реакционной камерой. При увеличении концентрации горючего газа увеличивают напряжение питания электромагнита, которое служит мерой концентраций. 1 з.п. ф-лы, 1346995Изобретение относится к газоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля концентрации взрывоопасных горючих газов термохимическим датчиком, и может быть использовано для контроля утечек природного газа из магистральных газопроводов.Делью изобретения является снижение эксплуатационных затрат на дополнительную настройку и калибровку датчика в связи с периодической заменой выработавшего положенный ресурс чувствительного элемента датчика и повышение точности контроля благодаря стабилизации общего коэффициента преобразования концентрации горючего газа в выходной (измерительный) сигнал датчика.Способ автоматического контроля концентрации горючих газов термохимическим датчиком заключается в изменении режима работы датчика при изменении концентрации горючего газа в анализируемой смеси и определении концентрации горючего газа по величине изменившегося параметра режима работы, При увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих газов термохимическимдатчиком путем синхронного увеличения величины магнитного поля, воздействующего на датчик, и (или) уменьшением сечения канала поступленияанализируемой смеси к датчику. Возможно путем увеличения объема реакционной камеры или уменьшения еегазопроницаемости увеличить времязапаздывания поступления анализируемой смеси в реакционную камеру доПоявления переменной составляющеймагнитного поля, При этом концентрацию горючего газа в смеси определяют по изменению частоты или по отношению длительностей полупериодовпеременной составляющей магнитногополя,Способ осуществляют следующим об- .разом,Реакционную камеру датчика с находящимся в нем чувствительным элементом устанавливают преимущественно в торцовую часть сердечника цилиндрического электромагнита постоянного тока. Для усиления действиямагнитного поля электромагнита наинтенсивность диффузии анализируемой смеси в реакционной камере датчикаперед торцовой частью сердечникаэлектромагнита (а следовательно, и перед реакционной камерой) устанав 3)ливают пластину, изготовленную преимущественно из намагничивающегосяматериала, например из стали. Диаметрпластины соответствует диаметру элекэлектромагнита. Толщину пластины выбирают исходя из ее механическойпрочности и малого веса. Чувствительный элемент датчика разогревают (спомощью пропускаемого через него 15 тока) до температуры, при которойконтролируемый горючий газ каталитически окисляется на его поверхности.Выделяемое при этом тепло (т.е. повышение температуры чувствительногоэлемента) преобразуют в выходнойсигнал датчика. К датчику подаютэталонную газовую смесь с заданнойконцентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону р 5 измеряемых концентраций, Затем экспериментально снимают зависимость изменения выходного сигнала датчика Иот напряжения питания электромагнита Е. Выход датчика при этом электрически не связан с электромагнитом.После этого на электромагнит подаютпостоянное напряжение питания (напряжение смещения) Ео, соответствующее(согласно снятой зависимости) максимальному выходному сигналу датчика, 35Кроме того, выходной сигнал датчикадополнительно усиливают с помощьюусилителя напряжения (тока) до еди-ниц-десятков вольт (точное значение 40определяется при настройке и калибровке датчика) и также подают наэлектромагнит.Таким образом, усиленное выходноенапряжение (ток) датчика суммируютна электромагните с напряжением смещения Е.При наличии горючего газа в смеси происходит его окисление на чувствительном элементе датчикаПоявившийся при этом выходной сигнал датчика подают на электромагнит, увеличивая, таким образом, его суммарноенапряжение питания. Это, в свою очередь, приводит к частичному уменьшению (компенсации) выходного сигналаи, следовательно, напряжения питанияэлектромагнита. Таким образом, про"исходит стабилизация общего коэффициента передачи схемы (датчика), Кон 134699535 Таким образом, общий коэффициент преобразования термохимического датчика, определяемый как отношение изменения напряжения питания электромагнита к соответствующему изменению концентрации горючего газа, поддерживают практически постоянным. Если центрацию горючего газа в смеси определяют по изменению (увеличению) напряжения питания электромагнита, Приэтом минимальное напряжение питания5электромагнита, соответствующее отсутствию горючего газа в смеси, равно напряжению смещения Е. Максимальное значение напряжения электро- .магнита, соответствующее контролируемой концентрации, ограничено предельно допустимым напряжением питанияэлектромагнита,Проверку работоспособности способа, т.е. наличия стабилизации обшегокоэффициента преобразования термохимического датчика (его независимости от изменения коэффициента преобразования чувствительного элемента),осуществляют следующим образом. Кдатчику подают эталонную газовуюсмесь с постоянной концентрацией горючего газа, значение которой соответствует диапазону измеряемых концентраций, Через чувствительный элемент датчика пропускают постоянныйток, соответствующий внешнедиффузионной области термокаталитическогоокисления горючего газа, в которойкоэффициент преобразования чувствительного элемента практически не зависит от его температуры разогрева.Усиленный выходной сигнал датчикасуммируют с напряжением смещения Еподаваемым на электромагнит. Затемпоследовательно с чувствительнымэлементом датчика вводят дополнительное постоянное сопротивление, имитирующее увеличение коэффициента преобразования чувствительного элемента и равное 10 - 207. от величинысопротивления разогретого чувствительного элемента. При этом соответственно увеличивается выходной сигналдатчика. Его также усиливают и сум. -45мируют с напряжением смещения Е, подаваемым на электромагнит, т.е. увеличивают напряжение питания электромагнита. Это приводит к уменьшениювыходного сигнала датчика и возвращению его практически к исходномузначению. коэффициент усиления дополнительного усилителя выбирают достаточно большим, например равным тысячам-десяткам тысяч (точное значение коэффициента зависит от конкретного исполнения датчика и устанавливается при настройке и калибровке), то диапазон изменения напряжения питания электромагнита (с учетом воздействия на электромагнит усиленного выходного сигнала датчика) выходит за линейную область, определяемую снятой зависимостью, т.е. благодаря значительному усилению выходного сигнала датчик переводят в релаксационный режим работы. В этом случае наряду с подаваемым напряжением смещения Е на задействованном электромагните появляется модулирующее, как правило,импульсное напряжение, амплитуда которого определяется предельными возможностями усилителя и электромагнита, а частота изменения которого про порциональна величине контролируемой концентрации, Таким образом, концент. рацию горючего газа в данном случае определяют преимущественно по изменению частоты или скважности появляющегося в результате релаксационного процесса модулирующего напряжения питания электромагнита,Перевод датчика в релаксационный режим работы позволяет упростить согласование выходного сигнала датчика с широко используемой для его обработки микро-ЭВМ, повысить точность контроля в связи с тем, что в релаксационном режиме работы датчика проще и полнее осуществляется компенсация .многих возмущающих факторов, например таких, как температура и давление окружающей среды, а также ухоц "нуля" измерительной схемы датчика, без дополнительных затрат расширить диапазон контролируемых концентрацийВсе это способствует, снижению эксплуатационных затрат при использовании слособа.Способ может быть использован, например, в исследовательских целях для определения коэффициента диффузии или других параметров горючих компонентов в воздухе. Для этого за счет увеличения размеров реакционной камеры или уменьшения ее газопроницаемости увеличивают транспортное запаздывание и (или) постоянную времени поступления анализируемой смесив реакционную камеру датчика до появления на задействованном электромагните переменной (модулирующей)составляющей напряжения его питанияи, соответственно, магнитного поля.Концентрацию горючего газа в смесиопределяют в этом случае по изменению частоты,или по соотношению длительностей полупериодов переменнойсоставляющей магнитного поля,10 П р и м е р. В качестве чувствительного элементА датчика использу, ют электрокаталитический элемент, представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 - 1,2 мм из-окиси алюминия, Внутри его вмонтирована цйлиндрическая спираль из 18 витков платиновой проволоки диаметром 0,03 мм, являющаяся одновременно нагревателем чувствительного элемента до его рабочей температуры и температурозависимым сопротивлением (терморезистором), преобразующим увеличение температуры чувствительного элемента от окисления на нем горючего газа в прирост электрического сопротивления спирали. Чувствительный элемент включают в измерительную схему, например в дифференциальный элек трический мост, с помощью которой преобразуют изменение сопротивления спирали в выходной сигнал датчика. Реакционную камеру датчика изготавливают из стали, преимущественно в виде стакана35 диаметром 10 мм и длиной 12 мм. В реакционную камеру устанавливают чувствительный элемент, изолировав его токоподводящие стойки от корпуса камеры. Свободный торец стакана закры вают газопроницаемой металлической сеткой, Изменяющееся магнитное поле создают с помощью электромагнита постоянного тока, состоящего из цилиндрической катушки, намотанной медным 45 проводом диаметром 0,21 мм и содержащей 2000 витков, Катушку устанавливают в стальной магнитопровод, выполненный в виде стакана диаметром 55 мм и длиной 30 мм с концентрически расположенным в нем стальным сердечником диаметром 4 мм и длиной 30 мм. Реакционную камеру датчика устанавливают в углубление в торце сердечника электромагнита, со стороны, свободной от магнитопровода. С этой же стороны для усиления действия магнитного поля устанавливают стальную пластину, изготовленную в виде круга диаметром, соответствующимдиаметру электромагнита. Толщинупластины выбирают равной 0,1 - 0,2 мм,исходя иэ ее механической прочностии малого веса (массы). Усредненныйзазор между торцевой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментально, преимущественно в диапазоне О, - 5,0 мм. Зазор меньше0,1 мм требует тщательной технологи"ческой подгонки торцевой части электромагнита и пластины. Зазор больше5,0 мм требует значительного (превышающего предельно допустимое значе"ние) увеличения напряжения питанияэлектромагнита при реализации способа.В процессе контроля на электромагнит подают постоянное напряжениесмещения Е . Величину напряжения смещения Е, устанавливают соответствующей началу линейного участка экспериментально полученной зависимостиизменения выходного сигнала датчикаот напряжения питания электромагнитапри отсутствии электрической связимежду выходом датчика и катушкойэлектромагнита, В данном случае Еравно 2 В. Выходной сигнал датчика,достигающий 50 мВ при концентрациигорючего газа (например, метана),равной 1 об,Х,. усиливают примерно в00 - 200 раз с помощью усилителянапряжения и суммируют с Е, на задействованном электромагните. Точноезначение коэффициента усиления дополнительного усилителя выставляютэкспериментально при настройке и калибровке датчика, подавая к немуэталонную смесь с концентрацией горючего газа, соответствующей верхней границе диапазона измерения (вданном случае 2 об,7),Формула изобретения,1, Способ автоматического контроля концентрации горючих газов термохимическим датчиком, включающий изменение режима работы датчика при увеличении концентрации горючего газа в анализируемой смеси и определение концентрации горючего газа по величине изменившегося параметра, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности контроля, при увеличении концентрации горючих газов поддерживают постоянной интенсивность каталитического окисления горючих134699 Составитель В. ЕкаевРедактор И, Николайчук Техред М.Ходанич КорректоР Г, Решетник Заказ 5115/42 Тираж 775 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. 11 роектная, 4 7газов термохимическим датчиком путем синхронного увеличения величины магнитного поля, воздействующего на датчик, и (или) уменьшения сечения канала поступления анализируемой смеси 5 с датчику. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что путем увеличения объема реакционной камеры или 10 уменьшения ее газопроницаемости увеличивают время запаздывания поступления анализируемой смеси в реакционную камеру до появления переменнойсоставляющей магнитного поля, а концентрацию горючего газа в смеси опре"деляют по изменению частоты или поотношению длительностей полупериодовпеременной составляющей магнитногополя,