СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЕ
METHOD OF DETERMINING CONCENTRATION OF COMBUSTIBLE GASES IN OXYGEN-CONTAINING MEDIUM

Изобретение относится к области анализа газовых сред и может быть использовано для определения концентрации в кислородосодержащей среде, например, в рабочих помещениях нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, предприятий тепловой энергетики, химических заводов и др. для предотвращения возникновения ситуаций, опасных в отношении возможности взрыва.
Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородсодержащей среде, заключающийся в измерении теплового эффекта реакции окисления горючего компонента на поверхности каталитически активного чувствительного элемента (ЧЭ), соединенного последовательно с пассивным компенсационным элементом, идентичным ЧЭ по теплофизическим параметрам; регулировкой тока питания в последовательной цепи чувствительного и компенсационного элементов поддерживают температуру компенсационного элемента на постоянном уровне, SU 1286985.
В данном устройстве непрерывно работают оба элемента, что обусловливает большое энергопотребление. Наличие механической модуляции света, излучаемого ЧЭ и компенсационным элементом посредством электродвигателя с обтюратором, существенно усложняет способ, приводит к дополнительному расходу электроэнергии и снижает надежность конструкции, служащей для реализации способа; кроме того, данный способ требует постоянной продувки реакционной камеры, а также светоизоляции.
Известен также способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающийся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру, содержащую анализируемую газовую смесь, и подают на него импульсы тока, нагревая его до заданной температуры и уменьшая длительность импульсов до установления начального значения температуры; цикл измерения производят при подаче одного импульса, причем нагрев ведут в термоударном режиме до температуры выше температуры активации катализатора, а после нагревательного импульса на термокаталитический элемент дополнительно подают зондирующий импульс, по амплитуде и длительности меньший, чем нагревательный, регистрируют изменение амплитуды напряжения на термокаталитическом элементе во время подачи зондирующего импульса, многократно повторяют цикл измерения и по результатам совокупных измерений судят о концентрации компонентов смеси, SU 1711061.
Этот способ более прост в реализации и позволяет несколько уменьшить энергопотребление в сравнении со способом по SU 1286985. Однако весьма серьезным недостатком данного способа является подача нагревательных импульсов в термоударном режиме, что ведет к ускоренному выходу термокаталитических элементов (ТКЭ) из строя; кроме того, термоударный режим нагрева ТКЭ обусловливает практически мгновенное образование нагретого газового пограничного слоя вокруг ТКЭ, что приводит к значительному изменению крутизны градуировочных характеристик выходного сигнала ТКЭ в зависимости от концентрации горючих газов, выраженной в процентах от нижнего концентрационного предела распространения пламени (% НКПР), при различной молекулярной массе анализируемых горючих газов. Этот разброс значений крутизны указанных характеристик можно объяснить тем, что в нагретом газовом пограничном слое вокруг ТКЭ происходит образование каталитически активных веществ, являющихся продуктом разложения анализируемого горючего газа; эти вещества обусловливают быстрое окисление части анализируемых горючих газов вне контакта с поверхностью ТКЭ, что приводит к потере тепла ТКЭ и, соответственно, к снижению выходного сигнала от ТКЭ. Таким образом, способ можно использовать для определения % НКПР только какого-либо одного горючего газа в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство свойственно не только указанному выше способу по SU 1711061, но и всем другим известным способам определения концентраций горючих газов в кислородосодержащей среде с использованием ТКЭ, см., например, В.Н.Тарасевич. Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. - Киев: Наукова думка, 1988, с.209-210. Как видно из рис.63 на с.210, имеет место весьма большой разброс крутизны статических характеристик выходного сигнала термокаталитического элемента в случае анализа газов с различной молекулярной массой. Все современные газоанализаторы имеют градуировку по одному определенному горючему газу (как правило, метану). Для определения концентраций остальных горючих газов необходимо менять чувствительность газоанализатора или осуществлять пересчет. Определение интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, с помощью как способа-прототипа, так и других известных способов невозможно. Кроме того, к числу недостатков способа-прототипа относится то обстоятельство, что для его реализации необходимо использование не менее двух ТКЭ, работающих в непрерывном режиме питания; это не позволяет создавать портативные приборы с длительным временем непрерывной работы. Например, время непрерывной работы газоанализатора СГГ-4М (Россия) при габаритных размерах 150×55×188 мм и массе 1,8 кг составляет 4-8 часов, а газоанализатора метана GP-82 (Япония) при габаритных размерах 78×142×26 мм и массе 310 г - не более 6 часов.
Известен способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, который обеспечивает возможность определения интегральной взрывоопасности многокомпонентных газовых сред, включающих горючие компоненты, значительно отличающиеся по молекулярной массе, а также позволяет решить задачу увеличения срока службы ТКЭ и уменьшения энергопотребления, что увеличивает время непрерывной работы приборов, реализующих способ, RU 2156972.
0
1
0
1
1
2
2
1
2
2
Указанный способ определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде заключается в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульсы электрического тока, предварительно измеряют значение сопротивления  термокаталитического элемента в момент времени в интервале отτ до τ, где τ - момент времени до начала подачи импульса электрического тока, τ - момент времени до начала реакции окисления горючих газов на поверхности термокаталитического элемента, а также значение сопротивления  термокаталитического элемента в момент времени в интервале от τ до τ, где τ - момент времени до начала образования нагретого газового пограничного слоя вокруг термокаталитического элемента, в который прекращают подачу импульса электрического тока, затем определяют постоянный коэффициент , после этого измеряют текущее значение сопротивления  термокаталитического элемента в момент времени τ, текущее значение сопротивления  термокаталитического элемента в момент времени τ, определяют значение сопротивления  термокаталитического элемента в момент времени τ при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, затем определяют  и по величине  судят о значении концентрации газов в кислородосодержащей среде.
Данный способ принят в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является неудовлетворительная для ряда случаев точность определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Это объясняется тем, что в способе-прототипе сопротивление ТКЭ измеряют только в отдельных точках его переходной характеристики; это не позволяет оценить количество тепла, выделившегося на ТКЭ, в то время как для более точного и достоверного определения концентрации горючих газов и обусловленной этой концентрацией взрывоопасности их смеси с кислородосодержащей средой необходимо напрямую учитывать количество тепла, выделяющегося при сгорании горючих газов на ТКЭ.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде.
1
2
1-2
1
2
1
2
Согласно изобретению в способе определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, заключающемся в том, что термокаталитический элемент помещают в измерительную камеру и подают на него импульс электрического тока, предварительно определяют количество тепла , выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ до τ при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, далее определяют количество тепла Q, выделившегося на термокаталитическом элементе в интервале времени от τ до τ в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов, при этом τ- время начала импульса электрического тока, а τ - время его прекращения при установлении постоянной величины сигнала термокаталитического элемента, и затем определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде
,
1
2
где  - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ до τ;
1-2
Q - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от
1
2
τ до τ;
НКПР
С - концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (%, НКПР);
- стандартная теплота горения горючего газа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - схема, поясняющая реализацию способа;
на фиг.2 - временная диаграмма, иллюстрирующая способ;
на фиг.3 - статические характеристики выходного сигнала ТКЭ, полученные в результате реализации способа.
3
Термокаталитический элемент 1 помещен в измерительную камеру 2, в конкретном примере типа КИМ-1 с реакционным объемом 35 мм, калиброванным отверстием в стенке 0,7 мм. В камере 2 та же концентрация газов, что и в окружающей среде. На ТКЭ 1 подаются импульсы электрического тока от генератора 3 импульсов тока. Генератор 3 управляется контроллером 4, снабженным дисплеем 5. Генератор 3 обеспечивает подачу импульсов тока заданной величины на ТКЭ 1 в заданные моменты времени. С ТКЭ 1 на вход контроллера 4 поступают электрические сигналы, содержащие информацию о текущем значении теплоты сгорания горючих газов на ТКЭ.
В таблице приведены значения  для большинства горючих газов. Как следует из таблицы, эти значения равны 1±0,12. При определении концентрации горючего газа или их смеси значение  принято одинаковым для всех горючих газов, в среднем равным 1,05, что не оказывает существенного влияния на установление наличия или отсутствия взрывоопасности многокомпонентных смесей на основе полученных результатов определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде. Это обстоятельство наглядно иллюстрируется также графиками статических характеристик для различных газов, которые практически совпадают.
Способ реализуют следующим образом.
1
2
1
Камеру 2 помещают в кислородосодержащую среду, не содержащую горючих газов, и определяют количество тепла  выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ до τ. Для этого на ТКЭ 1 в момент времени τ подают импульсы постоянного электрического тока от генератора 3. Величина тока импульса около 45 мА. Подачу указанного импульса прекращают в момент, когда значения сигнала ТКЭ 1 установятся на постоянном уровне. Электрический сигнал с ТКЭ 1 поступает в контроллер 4, где по известной программе вычисляется количество выделившегося тепла. Это количество соответствует в графической интерпретации заштрихованной области под верхней зависимостью на фиг.2.
1-2
1
2
Количество выделяющегося при каждом последующем импульсе тепла существенно не изменяется, и контроллер 4 выдает усредненное значение . Затем камеру 2 помещают в кислородосодержащую среду, в которой имеется горючий газ, и аналогичным образом определяют количество тепла Q, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от τ до τ.
После этого определяют концентрацию горючего газа в кислородосодержащей среде
,
где  - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе при отсутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в интервале времени от
1
2
τ до τ;
1-2
Q - количество тепла, выделившегося на термокаталитическом элементе в присутствии в кислородосодержащей среде горючих газов в
1
2
интервале времени от τ до τ;
НКПР
С - концентрация горючего газа, соответствующая нижнему концентрационному пределу распространения пламени (%, НКПР);
- стандартная теплота горения горючего газа.
Значения  берутся из справочников, например, А.Н.Баратов и др. Пожароопасность веществ и материалов и средства их тушения, в 2-х кн., М., 1990.
2,
Постоянная величина сигнала ТКЭ, соответствующая времени прекращения подачи импульса в момент времени τ соответствует переходу процесса на ТКЭ из кинетической области реакции окисления горючих газов в кислородосодержащей среде в диффузионно-контролируемую область реакции. При этом имеет место так называемый квазипроточный процесс окисления, при котором происходит полное сгорание всех горючих компонентов и определяется в отличие от прототипа практически полное количество тепла, выделяющегося на ТКЭ. Благодаря прямой (а не косвенной, как в прототипе) и более полной оценке количества этого тепла, заявленный способ позволяет значительно более точно и достоверно определять концентрацию горючих газов в кислородосодержащей среде и, соответственно, взрывоопасность газовых сред, в том числе многокомпонентных.
Количество теплоты, содержащейся в одинаковых объемах горючей смеси при концентрации, соответствующей НКПР
Горючий газ
Химическая формула
С<sub>НКПР</sub>, % по объему
Стандартная теплота горения <img file="00000020.tif" he="6" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
С<sub>НКПР</sub>·<img file="00000021.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Метан
СН<sub>4</sub>
5,28
191,554
1,01
Этилен
С<sub>2</sub>Н<sub>4</sub>
2,7
314,799
0,85
Этан
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
2,9
376,421
1,09
Пропилен
С<sub>3</sub>Н<sub>6</sub>
2,4
458,345
1,1
Пропан
С<sub>2</sub>Н<sub>8</sub>
2,3
488,201
1,12
Бутилен
С<sub>4</sub>Н<sub>8</sub>
1,6
607,29
0,97
Дивинил
С<sub>4</sub>Н<sub>6</sub>
2
575,857
1,15
Бензол
С<sub>6</sub>Н<sub>6</sub>
1,43
756,998
1,08
Толуол
С<sub>7</sub>Н<sub>8</sub>
1,27
900,898
1,14
Стирол
C<sub>8</sub>H<sub>8</sub>
1,1
1060,19
1,17
Циклогексан
С<sub>6</sub>Н<sub>12</sub>
1,3
881,103
1,15
Метиловый спирт
СН<sub>4</sub>О
6,98
182,43
1,12
Этиловый спирт
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>О
3,6
336,295
1,14
Изопропиловый спирт
С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>О
2,23
489,968
1,09
Диэтиловый эфир
C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>O
1,7
604,519
1,03
Окись этилена
С<sub>2</sub>Н<sub>4</sub>О
3,2
291,392
0,93
Уксусный альдегид
С<sub>2</sub>Н<sub>4</sub>О
4,1
259,599
1,06
Ацетон
С<sub>3</sub>Н<sub>6</sub>О
2,7
435,029
1,13
Октан
C<sub>8</sub>H<sub>18</sub>
0,9
1221,94
1,1
Ацетилен
С<sub>2</sub>Н<sub>2</sub>
2,5
310,739
0,88
н-Гексан
С<sub>6</sub>Н<sub>14</sub>
1,24
928,394
1,15
Диметиловый эфир
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>О
3,67
315,754
1,16
Окись углерода
СО
12,5
67,5934
0,84