Способ автоматического контроля горючих газов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН А е 8 11 4 С 01 11 27 УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 03/31-25.87. Бюл. 9 39тут техническоСР еплофиБурдейный и А, Н. Щербан4(088.8)кое свидетельство СССРл. С 01 Я 27/00, 1975.е свидетельство СССРкл. С 01 Ю 27/14, 1960. О КОНТРО(21) 3815 (22) 05.12 (46) 23,10 (71) Инсти зики АН У (72) А, С (53) 543. (56) Автор У 596870,Авторск В 168049,(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГЛЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ(57) Изобретение относится к гаэоаналитическому приборостроению и мо жет быть использовано при контролеутечек природного газа из магистральных трубопроводов. Целью изобретения является повышение надежности и быстродействия контроля прициклическом поступлении к датчикуанализируемой смеси. Реакционная камера установлена в зоне действия изменящцегося во времени магнитногополя. Канал поступления анализируемой смеси к реакционной камере формируют с помощью торца сердечникаэлектромагнита и пластины иэ намагничивающего материала, установленноперед реакционной камерой. 1 з,п;ф лыеИзобретение относится к гаэоаналитическому приборостроению, в частности к способам контроля горючих газов в воздухе или ином окислителесс использованием термохимическогодатчика, и может быть использованопри контроле утечек природного газаиз магистральных газопроводов.Целью изобретения является расширение воэможностей использованияспособа за счет повышения надежности,быстродействия и точности контроляпри циклическом поступлении к датчику анализируемой смеси. 15Согласно способу автоматическогоконтроля горючих газов термохимическим датчиком модуляцию интенсивностипоступления анализируемой смеси в реакционную камеру датчика производят 20с помощью циклически изменяющегосяво времени магнитного поля, В зонудействия поля устанавливают реакционную камеру. Синхронно и противофазнос изменением магнитного поля изменяют сечение канала поступления анализируемой смеси к реакционной камередатчика. Для этого в зону действияциклически изменяющегося магнитногополя помещают пластину из упругогомагнитного материала, являющуюся подвижной стенкой канала поступленияанализируемой. смеси. Способ включаетоперацию контроля амплитуды переменной составляющей выходного сигналадатчика. Для увеличения ресурсаработы датчика возможен режим работы, при котором при увеличении кон"центрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяющегося во временимагнитного поля,Сущность способа заключается вследующем. 30 40 Реакционную камеру термохимичес кого датчика, изготавливаемую преимущественно из намагничивающегося материала, например иэ железа или его сплавов, устанавливают в зону действия магнитного поля. Реакцион- . 5 О ная камера имеет канал для поступления в нее анализируемой смеси или же стенки ее имеют пористую структуру способствующую проникновению смеси в реакционную камеру. Возможен вариант способа, в котором реакционной камерой датчика служит свободная полость в торцевой части сердечника электромагнита. Для осуществления контроля на электромагнит подаютпостоянное напряжение смещения Е нмодулирующее напряжение Е, Величинупостоянного напряжения смещения Е,выбирают соответствующей преимущественно линейному участку зависимостивыходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита. Иодулирующее напряжение Е выбирают с учетом трех характеризующих его параметров: амплитуды, частоты и формы.Амплитуду Е выбирают, большей частью, в диапазоне от минимальногозначения, определяемого чувствительностью термохимического датчика, прикотором еще технически возможновыделение на фоне собственных шумовдатчика переменной составляющей еговыходного сигнала, до максимальногозначения, соответствующего предельнодопустимому рабочему напряжениюэлектромагнита. Частоту напряженияЕ выбирают преимущественно в диапазоне от минимального значения,определяемого частотой изменения концентрации горючего газа в контролируемой смеси, до максимального значения, соответствующего величине, обратно пропорциональной постоянной времени поступления (подачи) анализируемойсмеси в реакционную камерудатчикаи ее каталитического. окисления (преобразования) чувствительным элементом. Выбор частоты изменения модулирующего напряжения Е ниже минимального значения приводит к снижению быстродействия контроля. Выборчастоты ЕА, выше рекомендуемого максимального значения приводит к снижению чувствительности, а следовательно, и точности контроля, формумодулирующего напряжения Еч выбирают преимущественно импульсной илисинусоидальной, как наиболее приемлемые при реализации способа и приобработке сигналов от электромагнитаи термомеханического датчикаВозможен вариант способа, в котором формуЕ выбирают трапецеидальной, Этопозволяет уменьшить электромагнитныепомехи и электрические нагрузки приработе электромагнита,При отрицательной амплитуде модулирующего напряжения Е уменьшается напряженность магнитного поля в зоне установки реакционной камеры. При этом возрастает интенсивность диффузии анализируемой смеси к чувстви 1346996тельному элементу датчика. Большая часть (большее количество) горючего газа смеси успевает окислиться на каталитической поверхности чувстви 5 тельного элемента, что приводит к увеличению его температуры и появле" нию положительной амплитуды переменной составляющей выходного сигнала датчика. 10При положительной амплитуде модулирующего напряжения Е происходит обратный процесс, При этом появляет. ся "отрицательная" амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика. В случае отсутствия горючего газа в контролируемой смеси изменения температуры чувствительного элемента не происходит и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика практически равна нулю, При увеличении концентрации горючего газа в смеси возрастает и амплитуда переменной составляющей выходного сигнала датчика. По ее величине определяют концентрацию горючего газа в анализируемой смеси. Возможен вариант способа, в котором концентрацию горючего газа опре деляют раздельно как по амплитуде "положительного", так и "отрицательного" полупериодов переменной составляющей выходного сигнала датчика, а затем проводят взаимную коРРекцию полученных результатов. Это позволяет повысить точность и надежность контроля. Возможен также вариант способа, в котором модулирующее напряжение Е, получают путем изменения в 40 определенных пределах напряжения смещения Е, величину которого выбирают за пределами линейного участка зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромаг нита. Это позволяет упростить реализацию способа, Для определения типа контролируемого горючего компонента (например, водород или метан присутствуют в смеси), измеряют разность 50 фаз (фазовый сдвиг) между модулирующим напряжением питания электромагнита Е и переменной составляющей выходного сигнала датчика И. Причем за начальные моменты отсчета, между которыми измеряется фазовый сдвиг, принимают начало роста амплитуды Е от О в сторону положительных значений; начало роста амплитуды переменной составляющей И от О в сторону отрицательных значений.Важен вариант способа, в котором одновременно (синхронно) с увеличением концентрации горючего газа в смеси уменьшают переменную (модулирующую) составляющую напряжения питания задействованного электромагнита, Это позволяет стабилизировать общий коэффициент преобразования датчика К в широком диапазоне изменений коэффициента преобразования чувствительного элемента К, что способствует повышению точности контроля. Суть . модификации способа состоит в следующем. На задействованный электромагнит подают напряжение смещения Е. Дополнительно на катушку электромагнита подают модулирующее (как правило, импульсное или синусоидальное) напряжение питания Е, величину (амплитуду) которого устанавливают также преимущественно в пределах линейной области зависимости выходного сигнала датчика от напряжения питания электромагнита, Таким образом, на электромагнит воздействуют суммарным напряжением с постоянной составляющей Е и переменной (модулирующей) составляющей Ец, т.е, Е ,=Е + Е . При этом с помощью изменения напряжения питания задействованного электромагнита периодически изменяют (модулируют) интенсивность поступления контролируемой смеси в реакционную камеру датчика, В результате этого изменяется интенсивностькаталитического окисления горючего газа чувствительным элементом и на выходе датчика (при наличии горючего газа в контролируемой смеси) появляется переменная составляющая, которую усиливают с помощью усилителя напряжения (тока) и преобразуют с помощью амплитудного детектора в пропорциональное амплитуде переменной составляющей постоянное напряжение И , Затем с помощью И, воздейству-. ют на источник (генератор) модулирующего напряжения Е, уменьшая его амплитуду (и, следовательно, суммарное напряжение питания электромагнита). Таким образом, в процессе кон-троля при наличии горючего газа в смеси появляющуюся на выходе датчика переменную составляющую выходного сигнала датчика ИА (или И 4) частично уменьшают (компенсируют) путемуменьшения амплитуды модулирующегонапряжения Е. Это способствует стабилизации общего коэффициента преобразования датчика К при произвольном изменении коэффициента преобразования чувствительного элемента К,происходящем, например, при отравлении катализатора чувствительногоэлемента агрессивными компонентамисмеси. Концентрацию горючего газа,согласно приведенной модификации,определяют по увеличению переменнойсоставляющей выходного сигнала датчика (т,е. по увеличению оставшейсянескомпенсированной ее части), Получение модулирующего напряжения Емна фоне постоянной составляющей Е,в приведенной модификации способареализуется проще путем изменениясамого Е с помощью дополнительногорегулятора, управляющего задающимгенератором модулирующего напряжения. горючего газа в прирост электрического сопротивления спирали. Чувствительный элемент включают в измерительную схему, например в дифференциальный электрический мост, с помощью которой преобразуют изменениесопротивления спирали в выходнойсигнал датчика. Реакционную камерудатчика изготавливают из стали (марка Ст), преимущественно в виде стакана диаметром 10 мм и длиной 12 мм,В реакционную камеру устанавливаютчувствительный элемент, изолировавего токоподводящие стойки от корпусакамеры, Свободный торец стакана закрывают газопроницаемой металлической стойкойИзменяющееся во временимагнитное поле создают с помощьюэлектромагнита постоянного тока, состоящего из цилиндрической катушки,намотанной медным проводом диаметром П р и м е р, В качестве чувствительного элемента датчика используют термокаталитический элемент, представляющий собой шарообразное тело диаметром 0,8 - 1,2 мм из у -окиси алюминия, внутри которого вмонтирована цилиндрическая 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0,21 мм и содержащей 2000 витковКатушку устанавливают в стальноймагнитопровод, выполненный в видестакана диаметром 55 мм и длиной30 мм с концентрически расположеннымв нем стальным сердечником диаметром 14 мм и длиной 30 мм, Реакционную камеру датчика устанавливают вуглубление в торце сердечника электромагнита, со стороны, свободнойот магнитопровода. С этой же стороны для усиления действия магнитногополя устанавливают стальную упругуюпластину, изготовленную в виде кругадиаметром, соответствующим диаметруэлектромагнита. Толщину пластины выбирают из соображений ее механической прочности и гибкости, например0,2 мм, Усредненный зазор между торцевой частью электромагнита и пластиной подбирают экспериментальног преимущественно в диапазоне 0,1-5,0 мм.Зазор меньше О,1 мм требует тщательной технологической подготовки торцевой части электромагнита и пластины,Зазор больше 5,0 мм требует значительного увеличения напряжения питания электромагнита при реализацииспособа. Возможен вариант способа,в котором форма пластины повторяетформу торцевой части электромагнита.Например, если торцевая часть электромагнита имеет конусообразную форму, то и в намагничивающейся пластине формируют такой же конус, Приэтом увеличивается длина между торцевой частью электромагнита и устанавливаемой пластиной, что способствует повышению эффективности модуляции, а значит снижению требуемогодля этого напряжения питания электромагнита,В процессе реализации способа наэлектромагнит подают постоянное напряжение Е , равное 6 В, и модулирующее напряжение Е , амплитудное значение которого равно 3 В, частотаизменения 0,5 Гц. Переменную составляющую выходного сигнала датчика контролируют с помощью измерительногопорогового устройства, уровень срабатывания которого соответствуетсигнальной концентрации горючего газа в смеси, Например, для концентрации, равной 2 об,Е метана в воздухе,амплитуда переменной составляющейвыходного сигнала датчика достигает10 мВ. Для надежного срабатыванияизмерительного порогового устройства1346996 сивности поступления анализируемойсмеси в реакционную камеру датчикас помощью циклически изменяющегосяво времени магнитного поля, в зонудействия которого установлена реакционная камера, и контроль при этомамплитуды переменной составляющейвыходного сигнала датчика, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюрасширения возможностей использования способа за счет повышения точнопеременную составляющую выходногосигнала датчика усиливают с помощьюусилителя переменного напряжения примерно в 100 раз, Состав присутствующего в смеси горючего газа определяют путем измерения фазового сдвига(временного запаздывания) между единовременными значениями модулирующего напряжения Е и переменной составляющей выходного сигнала датчика 10И. Такие измерения проводят с помощью электронно-счетного частотомераЧЗ. При этом для частоты модуляции, равной 0,5 Гц, фазовый сдвиг,например, для водорода составляет 150,63 рад (или 36 ), а для метана -2,5 рад (или 143 ). Разности фаз дляинтересующих горючих газов определяют предварительно для каждого из нихпутем подачи к датчику эталонных 20газовых смесей, содержащих интересующие компоненты,сти контроля, синхронно и противофазно с изменением магнитного поляизменяют сечение канала поступленияанализируемой массы к реакционнойкамере датчика путем помещения в зону действия циклически изменяющегося магнитного поля пластины и упругого магнитного материала, являющейся подвижной стенкой канала поступления анализируемой смеси. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что при увеличении концентрации горючего газа в анализируемой смеси уменьшают амплитуду циклически изменяющегося во времени магнитного поляФормула изобретения251. Способ автоматического контроля горючих газов термохимическим датчиком, включающий модуляцию интенСоставитель В. ЕкаевРедактор И. Николайчук Техред М.Ходанич Корректор Г. Решетник Заказ 5115/42 Тираж 775 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5