К вопросу погрешности измерения концентрации оксида углерода термохимическими сенсорами

УДК 543.271

К ВОПРОСУ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДА УГЛЕРОДА ТЕРМОХИМИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ

Канд. техн. наук, доц. НАЗАРОВ В. И.

Белорусский национальный технический университет

Принцип действия термохимических сенсоров базируется на измерении количества теплоты, выделяемой при реакции каталитического окисления определяемого компонента анализируемой газовой смеси. Наибольшее распространение получили термохимические сенсоры, в которых каталитическое окисление определяемого компонента происходит на твердом гранулированном катализаторе. Полезный тепловой эффект каталитического окисления в этих сенсорах измеряется с помощью термосопротивления. Такие сенсоры применяются для определения концентраций оксида

Для рассматриваемых сенсоров важной характеристикой является температурный режим, при котором происходит реакция каталитического окисления. На рис. 1 приведена экспериментальная зависимость погрешности измерения концентрации СО от температуры в зоне чувствительного элемента. Рост абсолютной погрешности измерения СО со снижением температуры здесь объясняется падением каталитической активности палла-диевого катализатора чувствительного элемента. Существенную погрешность при измерении концентрации оксида углерода вносит также скорость протекания газовой смеси через чувствительный элемент. На рис. 2 представлена экспериментальная кривая, характеризующая такую зависимость. Как видно, полезный тепловой эффект (температура катализатора) сначала повышается с ростом расхода, но только до определенного значения, после чего величина теплового эффекта начинает падать за счет увеличения проскока, т. е. из-за того, что часть оксида уг-

углерода в пределах 0,01-0,5 мг/л.

Рис. 1. Зависимость погрешности измерения концентрации СО от температуры в зоне чувствительного элемента при подаче эталонной бинарной смеси СО + N2 с концентрацией СО = 0,054 % об.

Рис. 2. Изменение теплового эффекта каталитического окисления СО при относительном изменении расхода бинарной смеси СО + К2с концентрацией СО = 1 % об., ¿чэ = 250 °С и втах = 63 л/ч

лерода не успевает окисляться на катализаторе. Это приводит к снижению чувствительности сенсора, которая определяется отношением изменения температуры А^ к изменению концентрации оксида углерода АСсо и может быть выражена следующим аналитическим выражением:

At

АС,

= bt

со

—( —(с-1) 1-а0\0 + к

где Ъ, а, к, с - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров и тепловых характеристик сенсора; I - удельная температура реакции окисления, °С/%; О - удельный расход газа, подаваемого на сенсор.

Так как при мостовой измерительной схеме напряжение разбаланса составляет

а изменение термосопротивления АН, = /¿(0рЛ/, то

1

-а^О4 С+1

+ кАСг

Здесьи0 - напряжение питания измерительной мостовой схемы, В; (3 -температурный коэффициент электрического сопротивления платины, °С '. Яю - сопротивление платинового термосопротивления при нулевой температуре, Ом.

Максимальная чувствительность термохимического сенсора будет наблюдаться при

йО

б _

О

или

АСсоА-АСсоАаС -АаШАСсо\

-X = -А СсоАа(-с)С - АакАСсо = 0.

йО

Тогда

к

— = Стор1 И С

в =

г

.kJ

Здесь А = 0,25С/0рй>.

Так, для сенсора газоанализатора типа АГТ-СО при а = 0,1; с = 0,36; к = = 0,7; Ъ = 360 будем иметь Gopt = 0,6, что хорошо согласуется с экспериментальными данными (рис. 2).

К погрешности измерения приводит также изменение теплопроводности газовой смеси в зоне чувствительного элемента. Коэффициент теплопроводности газовой смеси может быть определен из выражения

<и

В этом выражении <2 - количество теплоты, проходящей за время т под

йг 0 ^

воздействием градиента температуры — через площадь Л. Так как тепло-

йЬ

проводность газа значительно зависит от температуры

а. = ^(1+70,

то

Q = -S^-xX0

аь

Предполагая, что практически вся теплота, выделенная чувствительными элементами, передается стенкам цилиндрического керамического фильтра за счет теплопроводности газовой смеси, выражение (5) можем записать как

0 = -2 1+у

аг

йг

где--градиент температуры газа в радиальном направлении, и далее

йг

(о

Здесь ¿л - температура чувствительного элемента, °С; /с - температура стенки фильтра, °С; к - коэффициент теплопроводности газа при t = = (/ц + /с)0.5. Вт/(м °С); /) - диаметр керамического фильтра, м; с1 и I - соответственно диаметр и длина проводника сенсора, м.

Однако

е = а12Я,

где I - сила тока в термосопротивлении, А; Я - электрическое сопротивление сенсора, Ом; а - поправочный коэффициент на теплоотдачу через то-копроводящий элемент, свободную тепловую конвекцию и тепловое излучение (а = 0,95).

Приравняв (6) и (7), получаем

1п— 2

г -г = ^

п с 2п1 \

Изменение же сопротивления проводника, нагретого током, зависит от теплопроводности окружающей его газовой смеси

1 °

Ч — У —У

АЯ =-

2 п1

Здесь Я - сопротивление проводника сенсора при / = 20 °С, Ом. Тогда изменение напряжения на измерительной диагонали моста с эталонным и рабочим сенсорами составит

A U6 =

UR R + AR

где и0 - напряжение питания мостовой схемы, В; К;,. 1(1р - сопротивления соответственно эталонного и рабочего сенсоров, Ом; Я —

При этом абсолютная погрешность измерения СО составит

ACO = ДСЛ

АХ К.

Здесь Кс - коэффициент преобразования сенсора,

мВ % об.

; АХ - измене-

ние коэффициента теплопроводности газовой смеси, Вт/(м °С).

В табл. 1 приведена зависимость абсолютной погрешности изменения СО от изменения коэффициента теплопроводности газовой смеси АХ.

Таблица 1

ДСО, ррт 38 79 123 174 228

ДА.  10-3, Вт/(м-°С) 2 4 6 8 10

ДЯ, Ом 0,1 0,21 0,33 0,47 0,62

Так, если для эталонной газовой смеси (N2 + СО) коэффициент теплопроводности составляет 41,31 • 1(Г3 Вт/(м °С), а коэффициент теплопроводности реальных газов в зоне чувствительного элемента равен 38,7х х1СГ3 Вт/(м °С) [1], то АХ = 2,6 • 1СГ3 Вт/(м °С). Значит, дополнительная абсолютная погрешность измерения ACO = 50,3 ppm, или ACO = 0,0053 % об. При расчетах были приняты следующие данные (для АГТ-СО): Кс = = 26 мВ/% об.; D = 8 мм; d = 0,03 мм; I = 0,07 A; Rtp = 20 Ом; Rb = 19 Ом (при tuэ = 250 °С); I = 0,02 м; U0 = 1,5 В.

Существенная дополнительная абсолютная погрешность при измерении СО может вызываться также неоптимальным значением тока питания мостовой измерительной схемы чувствительного элемента. На рис. 3 приведена зависимость разбаланса мостовой схемы АЩ от тока I.

Экспериментально было установлено, что оптимальное значение тока питания мостовой схемы лежит в пределах 0,06-0,08 А. Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры внешней среды, также имеет место при измерении оксида углерода. В табл. 2 приведены экспериментально найденные поправки для АГТ-СО.

Таблица 2

Электронный блок

Кабель

Датчик

0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 I, А

Рис. 3. Зависимость разбаланса А 11б мостовой схемы чувствительного элемента АТТ-СО от тока питания I

Также было исследовано влияние угла установки датчика относительно физонтали и угла ра60о ото = 120ррт ертикальной плоскости. На рис. 4 м 5 приведены резульг

/

35° ЛСО = 0

/ ^ 35 ¿v СО = П nnm

0° ЛСО = -60 ррш

-15° ЛСО = 50 ррш

>сс0°

Рис. 4. Зависимость погрешности

измерения оксида углерода ACO от

i АГТ-СО в ЛСО = 0 ррш базовая установка а

180° А СО = 630 ррш

Рис. 5. Зависимость абсолютной погрешности измерения оксида ACO от разворота датчика АГТ-СО при установке в газоходе котла

В Ы В О Д

Определены дополнительные погрешности при измерении концентрации оксида углерода термохимическими сенсорами. Получен ряд аналитических выражений по расчету данных погрешностей, а также поправок на отклонения внешних факторов от допустимых.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. П а в л е н к о, В. А. Газоанализаторы / В. А. Павленко.- М.; Л.: Машиностроение, 1965. - 296 с.

Представлена кафедрой ТЭС Поступила 7.07.2006

УДК 621.4: 536.46

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ПРИ ИХ ГОРЕНИИ

Канд. техн. наук АССАД М. С.

Барановичский государственный университет

Обострение энергоэкологических проблем привело к интенсивному поиску новых, более эффективных видов топлива в рамках потенциальных энергосырьевых ресурсов. Одним из таких видов топлива для двигателей внутреннего сгорания является водород.

Механизм сгорания водорода при низких давлениях (р < 0,2 МПа) достаточно подробно исследован и верифицирован на большом количестве экспериментальных данных, где быстрые цепные реакции с участием радикалов Н, ОН и О [1-5] являются доминирующими в процессе протекания химических реакций.

Область высоких давлений, характеризующаяся сменой механизмов высокотемпературного окисления водорода, недостаточно исследована. С ростом начального давления смеси (р > 0,2 МПа) возрастает роль реакции разветвления цепей с участием молекулы НО2, которая образуется в ходе тримолекулярной реакции Н + О2 + М = НО2 + М и способствует отводу активных атомов водорода из реакций быстрого цикла, определяющих воспламенение при пониженных давлениях. Кроме того, существующие кинетические схемы горения водорода при высоких давлениях не подтверждены детальными экспериментальными данными. Вместе с тем перспективы использования водорода в двигателях внутреннего сгорания требуют более глубокого понимания особенностей горения водорода с воздухом при относительно высоких давлениях, соответствующих давлениям в завершающей стадии такта сжатия двигателя.

Одним из основных свойств водорода является высокая скорость высокотемпературного окисления, поэтому изучение данной характеристики