CS261757B1

CS261757B1 - Sensing element for evaluation of presence of methane and other gases

Info

Publication number: CS261757B1
Application number: CS863561A
Authority: CS
Inventors: Gustav Svanda; Josef Dr Csc Habanec
Original assignee: Gustav Svanda; Josef Dr Csc Habanec
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1989-02-10
Also published as: CS356186A1

Abstract

Řešení se týká čidla pro vyhodnocování přítomnosti plynů ve vzduchu při použití koronového výboje, které sestává z měrné komůrky válcového tvaru, do které zasahuje emitor uložený v rozpěrné vložce, ve které jsou případně vytvořeny průchozí otvory, přičemž k eraitoru je připojen stíněný kabel. Novost řešeni spočívá v tom, že emitor je v měrné komůrce uložen souose, měrná komůrka je na předním čele proti emitoru uzavřena prvním filtrem, vnitřní povrch měrné komůrky je z inertního materiálu zvoleného ze skupiny obsahující nikl, platinu, palladium a zlato a emitor je ze stejného materiálu jako vnitřní povrch měrné komůrky. Čidlo je vhodné například pro indikaci metanu, benzinu, oxidu siřičitého, oxidu uhličitého, freonu a perchloretylenu.The solution concerns an evaluation sensor the presence of gases in the air in use corona discharge, which consists of a specific discharge a chamber of cylindrical shape into which it intervenes an emitter embedded in the spacer in which through holes, if any, the shielded cable is connected to the emitter. The novelty of the solution is that the emitter it is stored in a measuring chamber coaxially, measured the chamber is on the front face against the emitter closed by first filter, inner surface the measuring chamber is made of an inert material selected from the group consisting of nickel, platinum, palladium and gold and emitter is of the same material as the inner surface measuring cells. The sensor is suitable for example for the indication of methane, gasoline, sulfur dioxide, carbon dioxide, freon and perchlorethylene.

Description

Vynález se týká čidla pro vyhodnocování přítomnosti plynů ve vzduchu při použiti koronového výboje. Čidlo sestává z měrné komůrky válcového tvaru, do které zasahuje emitor uložený v rozpěrné vložce, ve které jsou případně vytvořeny průchozí otvory, přičemž k emitoru je připojen stíněný kabel.The present invention relates to a sensor for assessing the presence of gases in air using a corona discharge. The sensor consists of a measuring chamber of cylindrical shape into which the emitter is received, which is placed in a spacer, in which the through holes are formed, whereby a shielded cable is connected to the emitter.

Dosud známá čidla pro vyhodnocování přítomnosti plynů, například metanu, v ovzduší pracují na různých fyzikálních principech. Nejčastěji se používá vytápěných platinových čidel, u kterých se vyhodnocuje zvýšení teploty platinového drátu při katalytickém spalování plynu. Na podobném principu pracují speciálně konstruovaná polovodičová čidla. Dalším známým principem je vyhodnocování tepelné vodivosti plynu s příměsí vzduchu, například kolometricky, a další principy.The known sensors for the evaluation of the presence of gases, such as methane, in the atmosphere work on different physical principles. The most commonly used are heated platinum sensors, which are evaluated by increasing the temperature of platinum wire during catalytic gas combustion. Especially designed semiconductor sensors work on a similar principle. Another known principle is the evaluation of the thermal conductivity of a gas admixed with air, e.g., colometrically, and other principles.

Z konstrukčního hlediska lze za nejbližší známé řešení považovat konstrukci čidla pro zjištování polárních par v plynu podle zveřejněné DE patentové přihlášky č. 2 656 810, kde je popsáno čidlo pracující na principu ionizace zjištovaných par alfa zářením v komůrce válcového tvaru. Přítomnost zjištovaných plynů se pak vyhodnocuje měřením ionizačního proudu sběrné elektrody provedené jako mřížka a uspořádané napříč ke směru proudění analyzovaného plynu.From the constructional point of view, the closest known solution is the construction of a sensor for detecting polar vapors in a gas according to DE Patent Application No. 2,656,810, which describes a sensor operating on the principle of ionizing detected vapors by alpha radiation in a cylindrical chamber. The presence of the detected gases is then evaluated by measuring the ionization current of the collecting electrode arranged as a grid and arranged transversely to the flow direction of the analyzed gas.

Nedostatkem známých vytápěných čidel je značný elektrický příkon, který ztěžuje použití tohoto druhu čidel v přenosných zařízeních. Podobným nedostatkem trpí i čidla založená na měřeni tepelné vodivosti plynů. Nedostatkem čidel s ionizačním zdrojem je právě tento ionizační zdroj sám a obtížnost jeho volby v rámci platných předpisů. Dalším nedostatkem tohoto druhu čidel je jejich vysoký vnitřní odpor, který vyžaduje použití speciálních vyhodnocovacích obvodů.The disadvantage of known heated sensors is the considerable electrical power that makes it difficult to use this kind of sensor in portable devices. Sensors based on measuring the thermal conductivity of gases suffer from a similar disadvantage. The lack of sensors with ionization source is precisely this ionization source itself and the difficulty of its selection within the valid regulations. Another drawback of this kind of sensors is their high internal resistance, which requires the use of special evaluation circuits.

Uvedené nedostatky známých řešení odstraňuje čidlo pro vyhodnocování přítomnosti plynů ve vzduchu při použití koronového výboje, které sestává z měrné komůrky válcového tvaru, do které zasahuje emitor uložený v rozpěrné vložce, ve které jsou případně vytvořeny průchozí otvory, přičemž k emitoru je připojen stíněný kabel, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že emitor je v měrné komůrce uložen souose, měrná komůrka je na předním čele proti emitoru uzavřena prvním filtrem, vnitřní povrch měrné komůrky je z inertního materiálu, zvoleného ze skupiny obsahující nikl, platinu, palladium a zlato a emitor je ze stejného materiálu jako vnitřní povrch měrné' komůrky.The aforementioned drawbacks of the known solutions are overcome by a corona discharge sensing sensor for the presence of gases in the air, which consists of a cylindrical-shaped measuring chamber receiving an emitter embedded in a spacer, optionally with through holes, with a shielded cable attached to the emitter. according to the invention, characterized in that the emitter is coaxial in the measuring chamber, the measuring chamber is closed on the front face against the emitter by a first filter, the inner surface of the measuring chamber is made of inert material selected from nickel, platinum, palladium and gold and the emitter is of the same material as the inner surface of the measuring chamber.

Další výhodné provedení spočívá v tom, že měrná komůrka je průchozí a je na zadním čele uzavřena druhým filtrem.Another advantageous embodiment is that the measuring chamber is through and is closed on the rear face by a second filter.

Nový a vyšší účinek vynálezu spočívá ve srovnání se známými řešeními v tom, že čidlo pro svou činnost potřebuje jen velmi malý elektrický příkon, nebot nemá žádné vytápěné konstrukční části, tak jak je to běžné u dosud známých typů čidel. Zmíněná energetická nenáročnost umožňuje použít čidlo podle vynálezu zejména pro konstrukci lehkých přenosných hledačů úniku plynu. Další výhodou čidla podle vynálezu je snadné vyhodnocení stavu čidla pomoci jednoduchých elektronických obvodů. Další výhoda čidla podle vynálezu spočívá v tom, že čidlo pro svou činnost využívá záporného koronového výboje, který může být přítomnosti plynu buá tlumen, jestliže se jedná o elektronegativní plyn nebo podporován, jestliže se nachází ve vzduchu plyn elektropozitivní. V čidle se svým působertím uplatňuje jak přivedená příměs plynu, tak také vznikající produkty reakcí, například ionty kyslíku, které reakcí, například s metanem, tvoří snadno indikovatelný oxid uhličitý. Další zvýšení citlivosti indikace umožňuje kombinaci účinků přivedeného plynu a produktů reakce v koronovém výboji. Obecně, vysoká citlivost čidla podle vynálezu vyplývá z toho, že koronový výboj je na příměsi plynu velmi citlivý.A new and higher effect of the invention is in comparison with the known solutions in that the sensor requires only a very small electrical power for its operation, since it has no heated components as is usual in the known types of sensors. Said energy saving means make it possible to use the sensor according to the invention especially for the construction of light portable gas leak detectors. Another advantage of the sensor according to the invention is the easy evaluation of the sensor condition by means of simple electronic circuits. A further advantage of the sensor according to the invention is that the sensor uses a negative corona discharge for its operation, which can either be attenuated by the presence of gas if it is an electronegative gas or supported if an electropositive gas is present in the air. In the sensor, both the admixed gas admixture and the reaction products formed, for example oxygen ions, are formed in the sensor, which, by reaction with, for example, methane, forms readily detectable carbon dioxide. A further increase in the sensitivity of the indication allows a combination of the effects of the introduced gas and the reaction products in the corona discharge. In general, the high sensitivity of the sensor according to the invention results from the corona discharge being very sensitive to the gas admixture.

Vynález je dále objasněn na přikladu jeho provedení, který je popsán na základě připojeného výkresu, který znázorňuje na obr. 1 jednostranné čidlo a na obr. 2 průchozí čidlo v osovém a příčném řezu. Jednostranné čidlo z obr. 1 má vstup do měrné komůrky 2 zakrýt prvním filtrem 2· Tento první filtr 2 může být ze sířov.ny či filtračního papíru nebo může být koncipován jako molekulární filtr. Emitor 2 je zasazen do rozpěrné vložky 2 ^z umělé, elektricky izolační hmoty, nejlépe z teflonu. Rozpěrná vložka 2 je zasazena do tělesa 2 měrné komůrky 2 ^a přívod k emitoru 3 je proveden stíněným kabelem 2·The invention is further elucidated by means of an embodiment thereof, which is described on the basis of the accompanying drawing, which shows, in FIG. 1, the one-sided sensor and in FIG. The one-sided sensor of Fig. 1 has the entrance to the measuring chamber 2 covered by the first filter 2. This first filter 2 can be made of sulfur or filter paper or can be designed as a molecular filter. The emitter 2 is embedded in the spacer 2 ^of plastic, electrically insulating material, preferably Teflon. The spacer 2 is inserted into the body 2 of the measuring chamber 2 ^{and the} lead to the emitter 3 is provided by a shielded cable 2 ·

Měřený plyn se dostane do měrné komůrky 2, kde reaguje s koronovým výbojem, přes první filtr 2· ^při použití vhodného prvního filtru 2 ^{se v} měrné komůrce 2 hromadí produkty, které vznikají při hoření koronového výboje, protože první filtr 2 snáze propouští do měrné komůrky 2 směs vzduchu s plynem než některé produkty z měrné komůrky 2. Tím se zvyšuje citlivost indikace pro určitý plyn. Čidlo je určeno především pro indikaci příměsi plynu. Vstup plynu do měrně, komůrky 2 je zakreslen šipkou S. Stíněný kabel 2 musí být konstruován na vysoké napětí, protože se jím na emitor 2 čidla přivádí stejnoměrné napětí, které v závislosti na rozměrech měrné komůrky 2_ má velikost řádově 2 kV. Stíněný kabel 2 prochází prodlouženou částí tělesa £, které slouží bud jako rukojet čidla nebo se čidlo touto prodlouženou částí montuje přímo na vyhodnocovací elektronickou část zařízení.Measured gas enters the measurement chamber 2, where it reacts with a corona discharge, through the first filter 2 · ^p s using a suitable first filter 2 ^{in the} measurement cell 2 accumulate products which are formed during combustion of corona discharge since the first filter 2 is easily permeable to specific chamber 2 air-gas mixture than some products from chamber 2. This increases the sensitivity of the indication for a particular gas. The sensor is intended primarily for the indication of gas admixture. The shielded cable 2 must be designed for a high voltage, since it supplies a uniform voltage to the sensor emitter 2, which, depending on the dimensions of the measuring chamber 2, is of the order of 2 kV. The shielded cable 2 extends through an elongated part of the body 5 which serves either as a handle of the sensor or the sensor is mounted directly on the evaluation electronic part of the device by this elongated part.

Průchozí čidlo je naznačeno na obr. 2. Konstrukce měrné komůrky 2_, ve které dochází k reakci plynu s koronovým výbojem, je stejná jako u jednostranného čidla. Opět se jedná o válcovou měrnou komůrku 2_, která je uzavřena prvním filtrem 2 ^a v rozpěrné vložce 2 je v ose měrné komůrky 2 umístěn emitor 2· Rozpěrná vložka 2 je opatřena průchozími otvory, například kruhovými, jak je zřejmé z pohledu A na obr. 2. Tvar otvorů by měl umožnit volný průchod měřeného vzduchu přes rozpěrnou vložku 2» je tedy možné volit průchozí otvory i jiných tvarů. Vlivem gradientu elektrického pole vyletuji z hrotu emitoru 2 elektrony, které při srážkách s molekulami vzduchu a plynu vytvářejí ionty a případné reakce. Záporné ionty jsou hnány elektrickým polem směrem od hrotu emitoru 2 ^a tím se v místě za hrotem emitoru 2 blíže k rozpěrné vložce 2 vytváří podtlak, takže dochází k nasávání vzduchu s plynem přes tuto rozpěrnou vložku 2- Nasávaný vzduch s plynem dále prochází přes. druhý filtr 2· Vysoké napětí se na emitor 2 přivádí stíněným kabelem 2 vedoucím nosnou trubkou 2, na které je průchozí čidlo upevněno. Průtok měřeného vzduchu měrnou komůrkou 2 je naznačen šipkou S. Použitím vhodného druhého filtru T_ může být ze zkoumaného vzduchu vyloučena některá plynná příměs a naopak zavedením vhodného prvního filtru 2 může být zvýšena citlivost na určitou plynnou příměs v důsledku hromadění produktů, které vzniknou při hoření koronového výboje. Při hořeni koronového výboje vznikají částice, jako například oj a Og. Je proto nutné aby měrná komůrka 2 nebo alespoň její vnitřní povrch byly z materiálu, který nepodléhá korozi, například niklu, platiny, palladia nebo zlata. Ze stejných důvodů musí být i emitory ze stejných materiálů. Navíc volba materiálu emitoru 2 ^a měrné komůrky 2 3® závislá na tom, jaké vlastnosti chceme od čidla získat. Podle materiálové a rozměrové konfigurace emitor-komůrka a také elektrických podmínek v měrné komůrce 2 je možné provádět selekci měřeného plynu tak, že se použije více měrných komůrek 2_ s různými vlastnostmi popřípadě filtry 2» 2 na vstupech měrných komůrek 2_, které se provedou jako molekulární filtry tak, aby se dala provést kvalitativní identifikace měřeného plynu.The through-flow sensor is indicated in FIG. 2. The design of the measuring chamber 2 in which the gas reacts with the corona discharge is the same as that of the one-sided sensor. Again, it is a cylindrical measuring chamber 2 which is closed by the first filter 2 ^{and an} emitter 2 is disposed in the axis of the measuring chamber 2. The spacer 2 is provided with through holes, for example circular, as seen from A in FIG. 2. The shape of the openings should allow the measured air to pass freely through the spacer 2. Due to the gradient of the electric field, I emit 2 electrons from the emitter tip, which create ions and possible reactions when they collide with air and gas molecules. The negative ions are driven by an electric field away from the emitter tip 2 ^, thereby generating a vacuum at the location downstream of the emitter tip 2 closer to the spacer, so that gas air is sucked through the spacer 2. second filter 2 · The high voltage is supplied to the emitter 2 by a shielded cable 2 running through the support tube 2 to which the through-flow sensor is mounted. The flow of the measured air through the measuring chamber 2 is indicated by the arrow S. By using a suitable second filter T, some of the gaseous admixture can be excluded from the examined air and conversely by introducing a suitable first filter 2 can increase sensitivity to a certain gaseous discharge. Burning of the corona discharge produces particles such as a drawbar and Og. It is therefore necessary that the measuring cell 2 or at least its inner surface is made of a material which is not subject to corrosion, for example nickel, platinum, palladium or gold. For the same reasons, emitters must be of the same material. In addition, the choice of emitter 2 ^and measuring cell 2 3® material depends on the properties to be obtained from the sensor. Depending on the material and dimensional configuration of the emitter-chamber as well as the electrical conditions in the measuring chamber 2, it is possible to select the gas to be measured by using several measuring chambers 2 with different properties or filters 2 ' filters so that qualitative identification of the measured gas can be performed.

Čidlo podle vynálezu je vhodné například pro indikaci metanu, benzinu, oxidu siřičitého, oxidu uhličitého, freonu a perchloretylenu.The sensor according to the invention is suitable, for example, for the indication of methane, gasoline, sulfur dioxide, carbon dioxide, freon and perchlorethylene.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A sensor for assessing the presence of gases in air using a corona discharge comprising a cylindrical-shaped measuring chamber receiving an emitter embedded in a spacer, optionally through holes, with a shielded cable connected to the emitter, characterized by: that the emitter (3) is located in the measuring chamber (2) in a dry manner, the measuring chamber (2) is closed on the front face against the emitter (3) by a first filter (1), the inner surface of the measuring chamber (2) is of inert material selected from groups containing nickel, platinum, palladium and gold and the emitter (3) is of the same material as the inner surface of the measuring cell (2)

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the measuring chamber (2) is through and is closed at the rear face by a second filter (7).