Термохимический датчик горючих газов

Термохимический датчик горючих газов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ 287aeS

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 23.XII.1968 (№ 1292942/26-25) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 19.Х!.1970. Б1оллсте11ь № 35

Дата опубликования описания 12.1.1971

Кл. 42!, 4/13.ЧП Е, G 01п 31 10

УДК 543.271(088.8) Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Авторы изобретения

А. H. Щербань, Н. И. Фурман, В. H. Тарасевич, В. Г. Семеновский и Л. Н. Закревская

Институт технической теплофизики АН Украинской ССР

Заявитель

ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ 2

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для использования в термохимических датчиках горючих газов и паров, применяемых для контроля довзрывных концентраций в производственной атмосфере.

Известны однокамерные датчики, состоящие из двух термопреобразовательных элементов, помещенных в общую термокаталптическую камеру и выполненных в виде полых окпсноалюминиевых цилиндров, снабженных специальн1лми (обычно платиновыми) нагревателями и термометрами сопротивления. Один из термоэлементов является газочувствительным (каталитически активным) и с этой целью покрывается мелкодисперсным катализатором, а второй — пассивным и не имеет каталитического покрытия. Активный (измерительный) и пассивный (компенсационный) элементы выполняются идентичными по своим геометрическим и электротепловым параметрам и включаются в смежные плечи мостовой измерительной схемы, в измерительную диагональ которой включается показывающий прибор, градуируемый в процентах анализируемой газовой компоненты. Действие датчика основано на измерении термоэффекта реакции термокатализа на мелкодисперсном катализаторе, получаемого в виде прироста температуры активного термоэлемента, который однозначно и линейно (в определенном диапазоне значений) связан с копцеп грацией анализируемой компоненты.

Указанная конструкция датчика позволяет

paclIpocrpaIIIIlI влияние измеряемой величины — концентрации анализируемой газовой компоненты лишь на один из термоэлементов— активный, а влияние всех остальных факторов, являющихся помехамн (колебания температуры окружающей среды, наличие сопутствующих газовых компонент и т. и.), на оба термоэлемента. Прп этом сигнал, получаемый в пз10;,1ерптельной диагонали моста, должен быть свободен от наличия помех, так как влияние последш1х взаимно компенсируется благодаря дифференциальному включеншо активного и .<Омпенсацпонного элементов.

15 Из анализа принципа действия прототипа очевидно, что в однокамерных датчиках реализован метод прямого измерения прироста температуры термоэлемепта, обусловленного реякцпеп термокяталпза, тяк, как каталптпче20 ское покрытие имеется лишь на одном пз, элементов — активном, и дифференциальный (разпостпый) метод измерения помех, позволяющий вычесть влияние пх на электротепловые г1 ар я мс гры активного и компенсационного эле25 ментов. При этом, если результатом измерения по первому методу является уровень полезного сигнала датчика, определяющий крутизну его статической характеристики 1 =f(S), то по второму — уровень шумов датчика, определя30 ющпй его порог чувствптел1п1остп и дрейф нулевого 1 ровня (здсс» Обозначено: 1 — ток

287395 диагонали мостовой схемы датчика, S — концентрация измеряемой газовой компоненты).

Таким образом, выполнение датчика горючего газа по схеме прототипа обеспечивает автокомпепсацию влияния помех лишь с точки зрения стабилизации нулевого уровня датчика.

Что касается полезного сигнала датчика, который как и электротепловые параметры термоэлементов также подвержен влиянию помех, то автокомпенсация влияния на него указанных помех полностью отсутствует из-за использования прямого метода измерения. Ошибки датчика обусловлены также спадом активности катализатора в процессе длительной эксплуатации.

Следовательно, известные датчики обладают весьма существенным недостатком, выражающимся в отсутствии компенсации влияния впешн помех на процесс термокатализа. Это обусловливает большие погрешности, причина которых кроется в используемом в прототипа.; прямом методе измерения термоэффекта.

Целью предлагаемого изобретения является повышение автокомпснсационных свойств однокамерных датчиков горючих газов с низкотемпературными катализаторами, нанесенными на активную окись алюминия. Указанная цель достигается путем замеры прямого метода измерения термоэффекта реакции окисления горючей компоненты на катализаторе дифференциальным методом, являющимся более предпочтительным с точки зрения уменьшения ошибок измерения. В соответствии с этим для ности?кения поставленной цели предло>кено компенсационный элемент датчика, также как и измерительный, выполнить активным (газочувствительным) путем нанесения на его поверхность низкотемпературного катализатора, причем катализатор на компенсационный элемент должен быть нанесен таким образом, чтобы обеспечить статический коэффициент передачи, несколько меньший от значения такового на измерительном элементе.

На чертеже приведена принципиальная схема предло?кенного датчика.

Датчик состоит из термокаталитической камеры 1, внутри которой размещены измерительный п компенсационный термопреобразовательные элементы 2 и 3, выполненные в виде полых окисноалюминиевых цилиндров.

Внутрь каждого из цилиндров помещены нагреватели 4, соединенные последовательно и питаемые от источника переменного тока, а на наружной поверхности размещены платиновые термометры сопротивления 5, которые включены в смежные плечи (/х„и R, мостовой измерительной схемы б. Оба термоэлемента покрыты мелкодисперсным катализатором с таким расчетом, чтобы их статические коэффициенты передачи были отличными друг от друга.

Из уравнения статической характеристики датчика

U„= (IK, (A t)„— (IR, ) At),, где 1 — ток термометра в момент измерения, Rp — сопротивление термометра при 0 С, Р— температурный коэффициент сопротивления термометра, At — прирост температуры термоэлемента, обусловленный беспламенным сжиганием горючего газа, очевидны следующие варианты обеспечения различных значений статических коэффициентов передачи измерительного и компенсационного термоэлементов:

При одинаковых значениях параметров I, Rp и Р задаются различные значения Л „и М„ причем At„ ) At,.

При одинаковых значениях I, P u At задаются различные значения R,„ è R„, причем

15 R.. )R„

При одинаковых значениях 1, Я и Л1 задаются различные значения „ и р„, причем

)„) p,.

При одинаковых значениях 1, Rp u At задаются различные значения I„ è I,, причем

11, )I,, Возможны также комбинированные варианты, представляющие собой любые из возможных комбинаций указанных вариантов.

Рассмотрим более подробно каждый из указанных вариантов.

Как известно, прирост температуры термоэлеме п а при беспламенном (термокаталитическом) горении газа зависит от качественного и количественного состава катализатора, нанесенного на носитель, от пористых свойств (в частности, от удельной поверхности) окиси алюминия, используемой в качестве носителя катализатора, и от температуры начального

35 нагрева катализатора. Поэтому возможны три пуп получения различных значений на измерительном и компенсационном термоэлемента .: а) путем нанесения на носители катализато40 ров, отличающихся либо качественным составом (например, Pd на измерительном и Pt на компенсационном), либо качеством металлической фазы (например, 4О/о Pd на измерительном «1% Р! на компенсационном) при неиз45 менных пористых свойствах носителя и одинаковых температурах начального нагрева; б) путем нанесения катализаторов, одинаковых по своему качественному и количественному сосгаву, на носители с различными значе50 пнями удельной поверхности (например, 220 я /г на измерительном и 150 я /г на компенсационном) и обеспечения одинаковых температур начального нагрева их. При использовании для измерительного и компенсацион55 ного термоэлементов одной и той же окиси люминпя указанное различие в удельных поверхностях может быть достигнуто путем прокаливания той части исходной окиси алюминия, когорая идет для изготовления, например, 60 измерительных элементов, при высокой температуре (например, 1200 С); в) путем нанесения на носители измерительного и компенсационного термоэлементов, изгстовленных из окиси алюминия с одинако65 вой удельной поверхностью, мелкодисперсных

28?395 катализаторов, идентичных по своему качественному и количественному составу, и нагревания термоэлементов до различных нача Ibных температур.

Последне. достигается при изготовлении нагревателей измерительного и компенсационного элемента нз проволок различных материалов, при примснении для нагревателя измерительного элемента более тонкой проволоки или более плоя ной намотки его нагревательной спирали (уменьшение шага) и при шунтированпи нагрева еля компенсационного элемента допслHèòåëüным внешним сопротивлением (шунтом) .

Из уравнения для начального сопротивления термометра (при 0 С), имеющего вид

4 п1о, 4 1ОЛ

Ro = Го — = I o.,=:,, о,, -, (2)

$ ; d2 И2 где p> — удельное сопротивление термометра о - А

1 при 0 С, L= nip —— — .-тР— длина проволоки

t А термометра, и= — — число витков термометt ра, lA — длина активнои части термоэлемента, t — шаг витков спирали, lp —— лР— длина одного витка спирали, D — диаметр цилиндра термоэлемента (диаметр спирали), d — диаметр проволоки термометра, очевидно, что условие R,„)R„, может быть достигнуто: путем применения в качестве термометров сопротивления измерительного и компенсационного элементов проволок с различными значениями удельного сопротивления о,,„и о„, причем р,„ ) р„ ; путем более плотной намотки спирали термометра измерительного элемента (уменьшение шага намотки l„), что обеспечивает увеличение числа витков термометра и„, и длины проволоки l„; путем изготовления термометра измерительного элемента из проволоки меньшего, чем па компенсационном диаметp2 с(„.

Условие „);»,. достигается путем изготовления термометра измерительпого элемента, например, из платины (р„=0,0039), а термометра компенсационного элемента, например, из платино-ирридия ПлИ-5 (р,. =0,0017). Предельным случаем здесь можно рассматривать случай при (5„ 0. à Р,.т0, т. е. когда термометр компенсационного элемента изготовляется из металла, сопротивление которого не меняется с температурой, например из нихрома или константана.

Условие 1„) 1,. достигается путем включения параллельно термометру сопротивления компенсационного элемента дополнительного шуптя в виде линейного сопротивления, ответвляющего часть тока. протекающего по термометру, что снижает уровень полезного сигналя, выделяемого на компенсационном элементе.

Предмет изобретения

1. Термохпмический датчик горючих газов, например метана, содержащий включенные в дифференциальную схему измерительный и компенсационный термопреобразовательные элементы, которые выполнены в виде идентичных по геометрическим размерам полых цилиндров с нагревателями и термометрами сопротивления и помещены в общую камеру, со25 общающуюся с анализируемой средой, отличаои1пйся тем, что, с целью повышения автокомпенсявио ых свойств датчика, его компенсационный термоэлемент снабжен каталитическпм покрытием и выполнен со статическим

30 ко ффпциснтом передачи, отличным от такового н я из м; рп тельном элементе.

2. Д:iò÷èê по п. 1, отлпча оп1ийся тем, что на г оверхпос- r; измерительного и компенсационного элементов нанесены катализаторы с раз35 личным качественным или количественным составом.

3. Датчик по п. 1, отличаю ипйся тем, что носитель измерительного и компенсационного элементов выпотнсн из материала с различ40 пым значением удельной поверхности.

4. Датчик по п. 1. отлича 0цпйся тем, что нагреватели измерительного и компенсационного элементов выполнены с различными значениями электротспловых параметров.

45 5. Дат шк 00 п. 1, отлпчаюп1пйся тем, что термометры сопротиьления измерительного и компенсационного элементов выполнены с разли ными электрическими параметрами.

Составитель Л, К. Жаркова

Редактор Д. Маркелов Техред А. А. Камышникова

Корректор T. А, Уманец

Заказ 3887/16 Тираж 480 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2